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i
UNIVERSIDAD RICARDO PALMA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
MECATRÓNICA
DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE MÁQUINA PARA GENERAR
COMPOSTAJE A PARTIR DE RESIDUOS ORGÁNICOS DE LA EMPRESA
INVERSIONES DRAMAR S.A.C.
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECATRÓNICO
PRESENTADA POR:
Bach. JERÍ SILVA, ENZO
ASESOR: Ing. Javier Rivas León
LIMA – PERÚ
2021
ii
DEDICATORIA
En primer lugar, a Dios, a mi madre
Maritza, mi padre Armando, mi abuela
Paulina y mi abuelo Escolástico por su
apoyo incondicional, mis primos Silva, a
mi novia Wendy y mi familia que
estuvieron en cada etapa de mi desarrollo
profesional. A todo quien ha puesto su
confianza en mí para lograr un objetivo
más en mi vida.
Enzo Jerí
iii
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por permitir culminar con
éxito esta tesis, a mis padres y familia por la
confianza y apoyo brindado para lograr la
culminación de la investigación.
A mi alma mater la Universidad Ricardo
Palma, por el apoyo y conocimientos
brindados durante todo el camino
transcurrido para alcanzar ser el profesional
de hoy.
A mi asesor, Ing. Javier Rivas, por apostar
por este proyecto desde el inicio, su
constante asesoramiento, apoyo y confianza
brindada.
Enzo Jerí
iv
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN ..................................................................................................................xi
ABSTRACT ............................................................................................................... xii
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................ 3
1.1. Planteamiento de la problemática .................................................................... 3
1.1.1. Problema General ........................................................................................ 7
1.1.2. Problemas Específicos ................................................................................. 7
1.2. Objetivo .......................................................................................................... 8
1.2.1. Objetivo General ......................................................................................... 8
1.2.2. Objetivos Específicos .................................................................................. 8
1.3. Justificación .................................................................................................... 8
1.4. Alcances y Limitaciones de la investigación. ................................................... 9
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ........................................................................... 11
2.1. Antecedentes de la investigación ................................................................... 11
2.1.1. Antecedentes nacionales ............................................................................ 11
2.1.2. Antecedentes internacionales ..................................................................... 12
2.2. Estructura teórica y científica ........................................................................ 15
2.2.1. Variables del proceso de compostaje .......................................................... 15
2.2.2. Compostaje ................................................................................................ 17
2.2.3. Sistemas de Compostaje ............................................................................ 18
2.2.4. Métodos de operación ................................................................................ 19
2.2.5. Tipos de composta ..................................................................................... 20
2.2.6. Modelos de Compostador .......................................................................... 21
2.2.7. Fases de Compostaje .................................................................................. 27
2.2.8. Sistema de recolección ............................................................................... 30
v
2.2.9. Sistema mecánico ...................................................................................... 31
2.2.10. SolidWorks ............................................................................................ 32
2.2.11. Sistema eléctrico .................................................................................... 33
2.2.12. Sistema electrónico ................................................................................ 35
2.2.13. Sensores ................................................................................................. 35
2.2.14. Módulo Relé 12V 10A de 1 Canal .......................................................... 38
2.2.15. Driver Puente HL298N .......................................................................... 39
2.2.16. Blynk ..................................................................................................... 40
2.2.17. ESP82266 .............................................................................................. 40
CAPÍTULO III: DISEÑO DEL SISTEMA .................................................................. 42
3.1 Sistema de máquina para generar compostaje a partir de residuos orgánicos. . 42
3.2 Diseño mecánico ........................................................................................... 43
3.2.1 Características del material para la estructura mecánica. ............................ 43
3.2.2 Selección del material ................................................................................ 44
3.2.3 Cálculos y dimensionamiento de compostera ............................................. 44
3.3 Diseño eléctrico............................................................................................. 54
3.3.1 Cálculo para la selección de motor eléctrico. .............................................. 54
3.3.2 Variador Delta VFD220E43A .................................................................... 56
3.4 Diseño Electrónico ........................................................................................ 57
3.4.1 Microcontrolador ....................................................................................... 57
3.4.2 Motor Reductor de corriente alterna ........................................................... 59
3.4.3 Sensor de temperatura ................................................................................ 61
3.4.4 Adaptar de señal para termocupla .............................................................. 62
3.4.5 Sensor de Humedad ................................................................................... 63
3.4.6 Pantalla LCD 20X4.................................................................................... 65
3.4.7 Relay o Relé .............................................................................................. 65
vi
3.4.8 Sensor de proximidad ................................................................................ 66
3.4.9 Acondicionamiento de tensión ................................................................... 68
3.5 Desarrollo del programa ................................................................................ 69
3.5.1 Programación de Arduino .......................................................................... 69
3.5.2 Programación de la plataforma Blynk IOT ................................................. 74
3.6 Circuito de la Compostera ............................................................................. 80
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS....................... 83
4.1 Resultados del Diseño Mecánico ................................................................... 83
4.2 Resultados del sistema eléctrico y electrónico ............................................... 85
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 89
RECOMENDACIONES ............................................................................................. 90
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 91
APENDICE ................................................................................................................. 96
ANEXOS .................................................................................................................. 107
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Composición de la mezcla ............................................................................. 16
Tabla 2: Características del material para la estructura ................................................. 43
Tabla 3: Comparación de algunos materiales más usados para la estructura mecánica. . 44
Tabla 4: Puntuación Z ................................................................................................. 45
Tabla 5: Parámetros del compostaje ............................................................................. 47
Tabla 6: Requerimientos para la selección del microcontrolador .................................. 57
Tabla 7: Características de los principales microcontroladores. .................................... 58
Tabla 8: Requerimientos para la selección del motor reductor...................................... 59
Tabla 9: Principales motores eléctricos. ....................................................................... 60
Tabla 10: Principales sensores de temperatura. ............................................................ 61
Tabla 11: Principales sensores de humedad ................................................................. 64
Tabla 12: Requerimiento para la selección de fuente de alimentación. ......................... 68
Tabla 13: Condiciones de fuente de alimentación ........................................................ 68
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N° 1: Grafico de la producción de residuos sólidos de los países del mundo. ...... 4
Figura N° 2: Generación de residuos sólidos en Lima Metropolita ................................. 5
Figura N° 3: Grafico del destino final de basura recolectada 2013-2014, Perú. .............. 6
Figura N° 4: Clasificación de los residuos sólidos.......................................................... 7
Figura N° 5: Entrada y salida del compostaje............................................................... 18
Figura N° 6: Compostera de bloques de ladrillo ........................................................... 22
Figura N° 7: Compostera con tres depósitos de madera y alambre ............................... 23
Figura N° 8: Composta en bidón.................................................................................. 23
Figura N° 9: Composta en pilas ................................................................................... 24
Figura N° 10: Compostador Converter........................................................................ 25
Figura N° 11: Compostador Zera ................................................................................. 26
Figura N° 12: Compostador industrial Kollvik ............................................................. 27
Figura N° 13: Fases del compostaje ............................................................................. 28
Figura N° 14: Hongo indicador de la fase mesofílica II ................................................ 29
Figura N° 15: Temperatura, Oxigeno y pH en el proceso de compostaje ...................... 29
Figura N° 16: Código de colores para la segregación de residuos sólidos ..................... 30
Figura N° 17: Eje de transmisión de velocidad de compostera ..................................... 31
Figura N° 18: Solidworks utilizado para el diseño de cuchillas de compostera ............. 32
Figura N° 19: Fuente de alimentación conmutada 12V / 5 A........................................ 33
Figura N° 20: Esquema eléctrico de la fuente de alimentación simétrica de 15V 1A .... 34
Figura N° 21: Datos de dimensiones y características de motor eléctrico modelo B14 . 34
Figura N° 22: Arduino Mega ....................................................................................... 38
Figura N° 23: Módulo Relé 12V 10ª de 1 canal. .......................................................... 39
Figura N° 24: Detalle del App Blynk ........................................................................... 39
Figura N° 25: Detalle del App Blynk ........................................................................... 40
Figura N° 26: Distribucion de pines del Node MCU .................................................... 41
Figura N° 27: Diagrama de comunicación del sistema de la máquina de compostaje.... 42
Figura N° 28: Dimensiones del cilindro de compostera ................................................ 46
Figura N° 29: Dimensiones del cilindro de compostera ................................................ 49
Figura N° 30: Dimensión de cuchilla cortadora del compostador ................................. 49
Figura N° 31: Determinación de la masa de las cuchillas ............................................. 50
ix
Figura N° 32: Simulación del esfuerzo de las cuchillas (en Solidworks) ...................... 51
Figura N° 33: Simulación del desplazamiento máximo de las cuchillas (en Solidworks)
.................................................................................................................................... 52
Figura N° 34: Simulación del esfuerzo de las compuertas (en Solidworks) .................. 53
Figura N° 35: Simulación del máximo desplazamiento de las compuertas (en Solidworks)
.................................................................................................................................... 54
Figura N° 36: Motor reductor ortagonal ....................................................................... 55
Figura N° 37: Variador Delta VFD220E43A ............................................................... 56
Figura N° 38: Arduino Mega ....................................................................................... 58
Figura N° 39: Motor reductor ...................................................................................... 60
Figura N° 40: Sensor de temperatura LABFACILITY XE-3530 .................................. 62
Figura N° 41: Encapsulado del amplificador ................................................................ 63
Figura N° 42: Sensor de humedad FUNDUINO .......................................................... 64
Figura N° 43: Pantalla LCD 20x4 ................................................................................ 65
Figura N° 44: Microreductor ....................................................................................... 66
Figura N° 45: Declaración de variables........................................................................ 67
Figura N° 46: Fuente conmutada SANPU PS600 ......................................................... 68
Figura N° 47: Inclusión de librerías y variables en Arduino IDE .................................. 69
Figura N° 48: Códigos de comunicación con la interfaz Blynk. ................................... 70
Figura N° 49: Selección de tiempo de transmisión de datos. ........................................ 71
Figura N° 50: Declaración de variables de temperatura y humedad. ............................. 71
Figura N° 51: Impresión de variables asignadas en las rutinas de arduino. ................... 72
Figura N° 52: Declaración setup en arduino. ................................................................ 73
Figura N° 53: Condicionales para ejecución de rutinas en arduino ............................... 73
Figura N° 54: Función Loop del programa en Arduino. ............................................... 74
Figura N° 55: Menú de inicio de plataforma Blynk IOT .............................................. 75
Figura N° 56: Código de autenticidad generado por Blynk IOT ................................... 75
Figura N° 57: Listado de micro aplicaciones de blynk ................................................. 76
Figura N° 58: Micro aplicación de zona horaria del servidor de blynk. ........................ 77
Figura N° 59: Reloj según zona horaria. ...................................................................... 77
Figura N° 60: Variable de temperatura ........................................................................ 78
Figura N° 61: Variable de humedad. ............................................................................ 78
x
Figura N° 62: Ajustes de terminal de interfaz blynk. .................................................... 79
Figura N° 63: Interfaz final de Plataforma Blynk IOT ................................................. 79
Figura N° 64: Circuito de conexión de termocuplas realizado en proteus ..................... 80
Figura N° 65: Circuito de conexión relee realizado en proteus ..................................... 81
Figura N° 66: Integración de arduino con módulos de transmisión. .............................. 82
Figura N° 67: Circuito con Módulo L298 con Arduino mega 2560 .............................. 82
Figura N° 68: Propiedades del acero inoxidable utilizado para el cilindro (realizado en
Solidworks) ................................................................................................................. 83
Figura N° 69: Figura de sujeción en la cara interior de la circunferencia del hélice (hecho
en Solidworks) ............................................................................................................ 84
Figura N° 70: Fuerzas aplicadas a la hélice (hecho en Solidworks) .............................. 84
Figura N° 71: Análisis estático de tensiones de la hélice (hecho en Solidworks) .......... 85
Figura N° 72: Análisis estático de desplazamientos de paletas de la hélice (hecho en
Solidworks) ................................................................................................................. 85
Figura N° 73: Diseño del circuito utilizando un puente H para el giro horario y antihorario
de los motores (hecho en Proteus) ............................................................................... 86
Figura N° 74: Circuito de módulo L298 acoplado con Arduino realizado en proteus.... 87
Figura N° 75: Circuito en proteus de motor monofásico con variador. ......................... 87
Figura N° 76: Circuito en proteus con fusible de protección. ....................................... 88
Figura N° 77: Onda de salida en Osciloscopio realizado en proteus ............................. 88
xi
RESUMEN
La presente investigación fue realizada en la empresa INVERSIONES DRAMAR
S.A.C ya que contaba con el procedimiento de acopio de residuos que fue necesario para
la investigación realizada.
La empresa cuenta con un espacio donde se recolecta y clasifica todos los residuos, como
los residuos orgánicos utilizados en el restaurante por lo que una empresa externa se
llevaba dicho material y realizaba el proceso de compostaje de manera artesanal debido
a la gran cantidad de residuos que generaba semanalmente, sin embargo la empresa
DRAMAR S.A.C para generar mayor ingresos debido a la pandemia generada en el
mundo quiso producir ellos mismos el compostaje, pero no contaba con el espacio para
las pilas por lo que se planteó de manera automatizada.
Con el análisis de la problemática presentada por la empresa en la aplicación de la técnica
del compostaje según las investigaciones es el tiempo que tarda el proceso y el espacio
que ocupa. Es por ello que como solución se planteó el diseñar un prototipo de máquina
para generar compostaje a partir de residuos orgánicos.
Para el diseño se utilizó el software SolidWorks, donde se pudo simular la funcionalidad
entre las piezas del prototipo, acoples y el comportamiento del material frente a altas
temperaturas.
Se utilizó herramientas de la física, mecánica industrial, para determinar el material
utilizado, hallar la potencia que requería el motor. Para el ámbito electrónico del prototipo
se utilizó el software Proteus para simular y plantear la programación del controlador.
Finalmente, se logró comprobar que es factible la reducción de tiempo del proceso de
compostaje, evitando la acumulación elevada de residuos y generando mayor
productividad en la producción de compost.
Palabras claves: diseñar, prototipo, compostaje, residuos orgánicos, solidwork,
programación.
xii
ABSTRACT
The present investigation was carried out in the company INVERSIONES
DRAMAR S.A.C since it had the waste collection procedure that was necessary for the
investigation carried out.
The company has a space where all waste is collected and classified, such as organic
waste used in the restaurant, so an external company took said material and carried out
the composting process in an artisanal way due to the large amount of waste that generated
weekly, however, the company DRAMAR SAC to generate more income due to the
pandemic generated in the world wanted to produce the composting themselves, but did
not have the space for batteries so it was proposed in an automated way.
With the analysis of the problems presented by the company in the application of the
composting technique, according to the investigations, it is the time that the process takes
and the space it occupies. That is why the solution was proposed to design a machine
prototype to generate compost from organic waste.
For the design, SolidWorks software was used, where it was possible to simulate the
functionality between the prototype parts, couplings and the behavior of the material
against high temperatures.
Tools of physics and industrial mechanics were used to determine the material used, to
find the power required by the motor. For the electronic field of the prototype, the Proteus
software was used to simulate and propose the programming of the controller.
Finally, it was possible to verify that it is feasible to reduce the time of the composting
process, avoiding the high accumulation of waste and generating greater productivity in
the production of compost.
Keywords: design, prototype, composting, organic waste, solidwork, programming.
1
INTRODUCCIÓN
La presente tesis busca demostrar con la investigación y experimentación que sí es
posible automatizar el proceso de compostaje, utilizando las herramientas de la ingeniería
industrial como el empleo del estudio de tiempos, automatización y optimización de
procesos, diseño e innovación. Con la finalidad de desarrollar una tecnología que ayude
a resolver el gran problema que es la generación y acumulación de residuos orgánicos.
Los resultados que se obtienen son fruto del monitoreo constante de las variables
(temperatura, oxigenación, Relación Carbono/Nitrógeno en la mezcla a ingresar) que
influyen en el prototipo diseñado y del análisis de ellos.
En el primer capítulo se detalla el planteamiento de la problemática mediante el uso del
método del embudo que permite describir en primera instancia desde un punto de vista
general y finalmente culminar la redacción con un punto de vista particular. Es por ello
que primero se hace mención de la manifestación del problema que es “la generación de
residuos orgánicos” relatando la situación mundial para culminar con la descripción y
presentación del escenario del problema en el país.
En el primer capítulo, se hace muestra de la información adquirida para sustentar la
manifestación del problema en el país, además se presenta los objetivos, delimitación,
justificación e importancia de la investigación
En el segundo capítulo, se desarrolla el marco teórico de la investigación, es decir los
antecedentes de estudio, las bases teóricas y las definiciones de los términos importantes
utilizados para el desarrollo de la tesis.
En el tercer capítulo, se realiza el planteamiento de las hipótesis tanto principales como
secundarias. Además, se conceptualiza a las variables de investigación, se desarrolla
la operacionalización de ellas junto con sus indicadores correspondientes.
En el cuarto capítulo, se detalla la metodología de la investigación que abarca la
descripción del tipo y nivel de estudio, diseño y enfoque. Se delimita la población y
muestra de la investigación; explicando de igual manera las técnicas e instrumentos
utilizados para la recolección de información o datos. Culminando el capítulo se detallan
2
las técnicas para el procesamiento y análisis de la información obtenida durante el proceso
de recolección de datos.
El quinto capítulo consiste en la descripción del diseño del prototipo, componentes a
utilizar, vista isométrica del diseño para visualizar la funcionalidad entre piezas, cálculos
utilizados con respecto al motor, programación del controlador, costos de los materiales
y de los componentes del prototipo.
En el sexto capítulo se realiza el análisis y presentación de los resultados obtenidos, se
detalla el logro de los objetivos con la demostración de las hipótesis ligadas al control de
los parámetros del prototipo.
3
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El presente capitulo describe la problemática de la tesis, se plantean los problemas
generales y específicos al igual que los objetivos generales y específicos, alcances y
limitaciones, la importancia y justificación.
1.1. Planteamiento de la problemática
En la presente investigación busca evidenciar el rápido crecimiento demográfico que
hace que la cantidad de residuos orgánicos e inorgánicos se incremente de manera
alarmante y el terreno establecido para colocarlos sea cada vez menor a causa de la
gestión ineficiente de residuos sólidos. Como resultado de esta situación, acontece la
contaminación de agua, aire y suelo que originan la transmisión de enfermedades
infecciosas y extinción de animales.
En el mundo hay diferentes investigaciones sobre el manejo de residuos sólidos en
América y el caribe, el cual una investigación menciona que “El incremento anual
promedio de la producción de residuos sólidos se ha estimado que está entre 3,2 a
4,5% para los países desarrollados y entre 2 a 3% para los países en vía de
desarrollo” (Sáez &Urdaneta, 2014).
En la Figura N°1 se puede visualizar la cantidad de residuos sólidos en toneladas que
producen los países.
4
Por lo mencionado, China, Estados Unidos y la India son los países con mayor
cantidad de acumulación de residuos orgánicos, sin embargo, el Perú no es ajeno a
dichos residuos exactamente en San Juan de Lurigancho que produce 946 toneladas
diarias de basura, número que representa el 10% del total. Las cinco primeras
localidades (SJL, San Martín de Porres, Cercado, Ate y Villa María del Triunfo)
generan en totalidad el 36% del total en la ciudad, en los últimos años han aumentado
sus residuos orgánicos respecto a otros distritos, se muestra en la Figura Nª 2.
Figura N° 1: Grafico de la producción de residuos sólidos de los países del mundo.
Fuente: El atlas de los desperdicios: Los países que más basura producen, 2018.
5
En la presente investigación se evidencia el problema que actualmente va creciendo,
el cual es la cantidad de residuos orgánicos, siendo parte del creciendo de Lima como
la ciudad con mayor porcentaje de lo dicho, por lo que la mayoría de residuos su
destino final son los rellenos sanitarias y botadores, el mayor porcentaje de residuos
el cual es el 70,8% en el 2024 termina en botaderos a cielo abierto. En la Figura N°3
se puede visualizar la distribución del destino final de residuos orgánicos.
Figura N° 2: Generación de residuos sólidos en Lima Metropolita
Fuente: INEI (Perú. Anuario de estadísticas Ambientales 2019)
6
La acumulación de residuos sólidos es un problema global que se manifiesta e
incrementa año tras año de acuerdo a la información obtenida. A medida que el ser
humano creció intelectual y económicamente fue generando empresas sin tener
responsabilidad ambiental con el cual perjudicando la flora y fauna, extinguiendo
algunas especies marinas, como se sabe los rellenos sanitarios ya han colapsado por
el espacio, el reciclaje que existe con respecto a plásticos, papel entre otros no se da
abasto para poder reducir el espacio, como se sabe en los estudios del MINAM el
mayor porcentaje de basura son de materias orgánicas que son las verduras, frutas, la
comida que por ello no se tiene un adecuado proceso de tratamiento o recolección ,
dicha basura es desembarcada en el mar, afectando las especies marinas y el agua el
cual muchas veces las personas al bañarse lo beben generando enfermedades
infecciosas (viral) y plagas, las cuales son:
En la figura N-º4 se puede visualizar la clasificación de los residuos sólidos (Según
Ley n.º 27314: Ley general de residuos sólidos).
Figura N° 3: Grafico del destino final de basura recolectada 2013-2014, Perú.
Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas e Informática – Registro Nacional de
Municipalidades.
7
1.1.1. Problema General
¿Cómo procesar de manera automática los residuos orgánicos de la empresa
inversiones DRAMAR S.A.C para obtener compostaje?
1.1.2. Problemas Específicos
a. ¿Cómo establecer los mecanismos apropiados que realicen cada etapa del
proceso de elaboración de compostaje?
b. ¿Cómo generar la fuerza y controles eléctricos capaces de controlar los
mecanismos y motores del prototipo de máquina para procesar compostaje?
c. ¿Cómo establecer el monitoreo y control electrónico de los elementos de
control que forman parte del proceso?
RES
IDU
OS
SOLI
DO
S
SEGÚN SU ORIGEN
RESIDUOS DOMICILIARIOS
RESIDUO COMERCIAL
RESIDUOS HOSPITALARIO
RESIDUO INDUSTRIAL
RESIDUO DE CONSTRUCCION
RESIDUO AGROPECUARIO
RESIDUO DE ACTIVIDADES ESPECIALES
SEGÚN SU GESTION
RESDIUO DE AMBITO MUNICIPAL
RESIDUO DE AMBITO NO MUNICIPAL
SEGÚN SU PELIGROSIDAD
RESIDUOS PELIGROSOS
RESIDUOS NO PELIGROSOS
Figura N° 4: Clasificación de los residuos sólidos.
Fuente: Sociedad Peruana de Derecho Ambiental. (2009). Manual de residuos sólidos. - Elaboración
propia.
8
1.2. Objetivo
1.2.1. Objetivo General
Diseñar un prototipo de máquina para generar compostaje a partir de residuos
orgánicos de la empresa Inversiones Dramar S.A.C.
1.2.2. Objetivos Específicos
a. Diseño y simulación de la parte mecánica del prototipo para
generar compostaje.
b. Diseñar la unidad eléctrica y de potencia del prototipo para
generar compostaje.
c. Diseño y simulación de un módulo de mando y control
electrónico capaz de gobernar las acciones del prototipo para
generar compostaje.
1.3. Justificación
a. Justificación ambiental
Se busca minimizar el gran problema global que va aumentando año tras año que
es la acumulación de residuos orgánicos, es por ello que con el estudio de este
proyecto lo que se logro es un diseño del proceso productivo de compostaje que
empleara residuos orgánicos; sin embargo, esto conlleva a que se puedan realizar
otros experimentos con diferentes insumos, ya que finalmente los componentes
principales aprovechados y de los cuales se obtendrán propiedades similares a los
plásticos son el almidón y la celulosa. Sin embargo, otro punto de igual importancia
es la reducción de quema de basura evitando de esa manera la producción de gas
metano que genera el cambio climático drástico que se va dando.
b. Justificación económica
Se busca promover que el compostaje como una alternativa de uso debido a la
necesidad por parte del estado peruano que promueve la reducción de residuos, sin
embargo, hay diferentes materias primas para realizar el compostaje, por ello para
obtener mayor entrada económica muy aparte de lo ambiental son los residuos
orgánicos con lo que es más factible desarrollar una pequeña empresa en este rubro
9
generando puesto de trabajo debido a la pandemia que va pasando el Perú y el
mundo.
Además, el producto obtenido de esta máquina se puede comercializar por la gran
demanda y el beneficio que genera.
c. Justificación tecnológica
Una de las principales competencias de la ingeniería Mecatrónica es el diseño e
innovación de nuevas tecnologías, es por ello que con dicho proyecto se buscara
automatizar el proceso de convertir los residuos orgánicos en compostaje, ya que
en el Perú hay empresas y/o organizaciones que realizan de manera artesanal, día
a día se va acumulando mucho más los residuos, sin embargo dichas maquinarias
son importadas de China o Colombia y tiene un tiempo de transformación de 2 a
3 meses por lo que con este proyecto se quiere llegar a un mes., es por ello que
con todos los conocimientos adquiridos durante la carrera se desarrollara dicho
proyecto de tesis.
d. Justificación sanitaria
Debido a la pandemia COVID-19 generada en el mundo se toman diferentes
medidas para controlar su propagación, es por ello que con este proyecto se busca
reducir los índices de contaminación y manipulación de los residuos debido a que
de manera artesanal se tiene que echar, remover, tocar y estar expuesto
directamente a los residuos que están al aire libre, sin embargo con este proyecto
de tesis se minimiza dicha propagación debido a que dicho equipo hace todo ese
trabajo.
1.4. Alcances y Limitaciones de la investigación.
• El objetivo general del proyecto es plasmar el diseño de la máquina, por lo que
no se presenta ningún prototipo ni pruebas realizadas. Por otro lado la maquina
realiza el control del proceso de compostaje solo por medio de la medición de
tres variables de estado del proceso que son la temperatura, la concentración de
oxígeno y la humedad las cuales son las necesarias para el proyecto, por otro
lado otras variables como el pH, la relación C/N y medición de otros gases
permitiría aumentar aún más la eficiencia del proceso; sin embargo, estas
variables no son tomadas en cuentas, ya que implicaría incrementar bastante la
complejidad del diseño.
10
• En caso no haya energía eléctrica en el terreno donde esté ubicado la máquina
no podrá funcionar la máquina.
• Adecuada implementación (lugar seguro) de la tarjeta electrónica para evitar
fallas de señal por el calor.
• Se plantea que la máquina de compostaje tendrá una capacidad 10kg de residuos
orgánicos.
11
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la investigación
2.1.1. Antecedentes nacionales
Gallardo, K. (2013), pudo determinar en su tesis que el compostaje es una
técnica viable y que es posible reducir el tiempo del proceso.
Para lo cual se introduce en la etapa inicial una mezcla de 80% de residuos
orgánicos con 5 % de estiércol de alpaca de la zona y 15% de agua para
mantener la humedad colocados en cavidades de madera
impermeabilizado con geomembrana para activar y acelerar la actividad
bacterial; estas cavidades a manera de módulos de 2x2x1.5 m3 llevan
acoplados en la parte superior un techo de modo variable a fin de que
durante el día la mezcla quede expuesta a la energía solar y de noche
cubierta con el mismo techo; siendo removido la mezcla 18 veces durante
todo el proceso (3, 5 y 7 días por cada etapa), observándose una variación
térmica y liberación de gases hasta estabilizarse a los 75 días donde se
convierte en un materia grumoso a manera de suelo de color marrón y
grisáceo con propiedades ricos en macro y micro nutrientes, cuyo factor
importante para el cumplimiento de dicho resultado fue las propiedades
físicas de la geomembrana evitando la infiltración de residuos líquidos y
manteniendo la temperatura de proceso de compost (pp. 7-8).[…]
El objetivo fue generar compost a partir de residuos orgánicos resultantes de
los restaurantes de un campamento minero ya que el problema se manifiesta a
partir de la gran cantidad producida de residuos la cual es de 150 kg diarios y
4500 kg al mes. Es por ello que utilizaron la técnica de compostaje adaptándola
a la situación climatológica de la ubicación de la mina y planteo el uso de
geomembranas para activar y acelerar la actividad bacterial con la finalidad de
acelerar el tiempo que conlleva aplicar este proceso. Cabe resaltar la
importancia de la investigación ya que busca minimizar los residuos orgánicos
con la aplicación de la técnica y además generar un abono natural creando un
impacto social sustentable para el desarrollo de la población.
12
Finalmente concluye que el producto final es rico en nitrógeno, fosforo y
potasio, de tal manera que nutre el suelo volviéndolo sano y fértil como es
demostrado en el proceso, el compostaje como técnica de reducción de residuos
orgánicos es una opción viable ya que se logró la reducción de residuos en el
campamento minero y en un menor tiempo gracias a la utilización de la
geomembrana lo cual es un indicador que si se controla la técnica se puede
reducir el tiempo de fabricación de compost.
Acosta, R. (2016), desarrolló la tesis que tuvo como objetivo:
La implementación de un sistema que automatizará algunos procesos en la
elaboración de composta orgánica implementado en un prototipo de
compostador innovador para uso doméstico. Estos procesos fueron
identificados y seleccionados para que el sistema sustituyera la
intervención que tienen las personas que elaboran composta, esto es con la
finalidad de minimizar la interacción del usuario con la manipulación en
la elaboración de composta y reduciendo de manera significativa este
problema, además de esto se podrá reutilizar aquellos desechos orgánicos
producidos en el hogar y se podrá obtener un fertilizante natural para que
sea aprovechado en los jardines y hortalizas de aquellas personas que
hagan uso de este tipo de reciclaje (p. 4).
Finalmente se concluye que efectivamente si se pudo desarrollar un prototipo
de máquina de compostaje que disminuye la intervención de la mano humana,
además se estudia los parámetros de control a tener en cuenta como la
humedad, temperatura, oxigenación. También muestra los elementos, circuitos,
diseño, proceso, manipulación y costos de la experimentación.
2.1.2. Antecedentes internacionales
Gutiérrez, M. (2013), realizó la tesis que tuvo como objetivo estudiar a
profundidad el tratamiento de residuos sólidos mediante el proceso de
compostaje.
El compostaje es una de las principales formas de tratamiento y reciclado
de residuos orgánicos, que se impone frente a la incineración o el destino
a vertedero, anteriormente utilizados de manera más común, lo cual se
13
pone de manifiesto en el incremento de instalaciones de compostaje. Si
bien, se ha producido un gran desarrollo tecnológico que ha favorecido la
implantación de sistemas de compostaje cerrados junto a sistemas de
biofiltración que permiten un mejor control del proceso y la minimización
de emisiones, actualmente siguen predominando los sistemas de
compostaje abiertos debido al menor coste de inversión requerido. El
principal problema asociado a este tipo de sistemas de compostaje es la
gran cantidad de emisiones de olor que se emiten a la atmósfera de manera
incontrolada (p.1).
Determinaron los parámetros esenciales que intervienen en el proceso como la
humedad, temperatura, contenido de nitrógeno y carbono, relación C/N,
cantidad de materia orgánica, conductividad eléctrica, oxígeno y ph. Además,
dentro de su investigación estudia una planta de gestión de residuos del
municipio de Vacarisses en Barcelona, evidenciando el sistema de
automatización del proceso de compostaje con el que cuenta y la utilización de
un sistema de aireación forzada para el control de oxígeno en el proceso.
Concluye que los sistemas de compostaje cerrados permiten realizar un control
y seguimiento del proceso, lo cual se ha demostrado que tiene una estrecha
relación con la generación de emisiones de olor y, en segundo lugar, a que estos
sistemas suelen estar dotados de un sistema de biofiltración para el tratamiento
de dichas emisiones, minimizando así su emisión a la atmósfera.
Ayala, O. (2014), realizó la tesis que tuvo como objetivo:
Para minimizar la contaminación ambiental es necesario separar la basura,
de tales residuos sólidos orgánicos puedan ser utilizados para la generación
de un fertilizante natural mediante la aplicación de compostadores, sin
embargo, los compostadores que actualmente existen tanto los domésticos
como los comerciales necesitan de la intervención de las personas que
hagan uso de estos.
Esta intervención es necesaria para que la descomposición de los desechos
orgánicos se lleve a cabo ya que debe de colocar la basura orgánica dentro
14
del compostador y deben de controlar la temperatura y humedad que se
genera en la composta además debe de airear (descompactar) la composta
para que exista oxigeno suficiente y los microorganismos encargados de
descomponer los desechos orgánicos no mueran por falta de oxígeno y/o
exceso-falta de humedad y temperatura (p. 9).
Concluye que el prototipo realiza mejora de la producción de fertilizantes
mediante la temperatura y humedad que son controlados de manera
automatizada, mediante sus factores de medición y seguimiento los cuales son
controlados se obtiene de manera limpia la descomposición de los desechos
generando compost.
Falco, C. (2015), realizó la tesis que tuvo como objetivo analizar el problema
de la generación de residuos orgánicos domésticos
Se diseñó y construyó un biorreactor cilíndrico con rotación automatizada,
de 140 L de capacidad, con una compuerta para la introducción de residuos
ubicada en la primera de 3 cámaras en serie. El compost resultante se
descarga independientemente por otra compuerta de la última cámara. Para
la búsqueda de las condiciones óptimas de operación a escala real se instaló
un dispositivo que fue recibiendo todo el Residuo Orgánico Biodegradable
(ROB) al ritmo de la generación de una familia tipo. Todo el dispositivo
fue montado sobre celdas de una balanza conectada a una computadora
que llevó un monitoreo continuo y automático del peso. Para evaluar la
eficiencia del dispositivo y la calidad del compost obtenido se llevó
adelante un completo plan de monitoreo (p.3).
El proceso que utilizó para el tratamiento de fue el compostaje, sin embargo,
menciona que el motivo por el cual no es una opción utilizada por la comunidad
es debido a la cantidad de personas requeridas para el proceso y el rechazo
cultural asociado al tener contacto con la basura.
Concluye en su investigación e experimentación al diseñar un sistema de
compostaje mediante un biorreactor continuo, el cual con el diseño cilíndrico
genero opciones óptimas para controlar y monitorear reduciendo tiempo,
15
espacio, generando un ambiente limpio libre de malos olores con el diseño de
un biorreactor sin perjudicar la calidad del compostaje.
Arrigoni, J. (2016), en su tesis tuvo como objetivo identificar aspectos de
diseño en compostadores y verificar la gestión del proceso de tal manera que
ayude a mejorar la tecnología implementada.
Analizar modelos de compostadores exitosos, utilizados en otras
experiencias; y diseñar, construir, evaluar un compostador experimental;
permitió analizar sus características e influencia sobre el proceso de
compostaje. Reúne información sobre la valoración del artefacto en
experiencias previas, realizadas en países con mayores avances 160 que el
nuestro en sus políticas ambientales frente a la gestión de residuos y
permite observar la complejidad de las acciones que acompañan una
política sobre la gestión descentralizada de los residuos orgánicos exitosa.
Los compostadores estáticos de 500 l de capacidad volumétrica y un metro
de altura máxima para la incorporación de residuos, fueron eficaces en el
tratamiento de residuos orgánicos de comedor (pp. 159 – 160). […].
Concluyo que el fertilizante obtenido tenía una elevada viabilidad para su
aprovechamiento en diversos usos agrícolas o ambientales, de acuerdo al
diseño y haciendo pruebas experimentales de las variables temperatura y
oxígeno tuvo como resultado que se obtenga la madurez y calidad requerida.
2.2. Estructura teórica y científica
2.2.1. Variables del proceso de compostaje
a) Relación carbono/nitrógeno
Para un correcto compostaje en el que se aproveche y retenga la mayor
parte del C y del N, la relación C/N del material de partida debe ser la
adecuada. Los microorganismos utilizan generalmente 30 partes de C
por cada una de N; por esta razón se considera que el intervalo C/N
teóricamente óptimo para el compostaje de un producto es de 25-35.
La relación C/N es un importante factor que influye en la velocidad del
proceso y en la perdida de amonio durante el compostaje; si la relación
16
C/N es mayor que 40 la actividad biológica disminuye y los
microorganismos deben oxidar el exceso de carbono con la
consiguiente ralentización del proceso, debido a la deficiente
disponibilidad de N para la síntesis proteica de los microorganismos
(Casco, J. 2013. pp.101-102.).
Para determinar el porcentaje de residuos orgánicos y material estructurante
o seco a utilizar, se empleó la siguiente tabla (Ver tabla N°1).
b) Temperatura
Al disponerse el material que se va a compostar en pilas, en un reactor,
etc., si las condiciones son las adecuadas, comienza la actividad
microbiana. Inicial- mente todo el material está a la misma temperatura,
pero al crecer los microorganismos se genera calor aumentando la
temperatura del material. El síntoma más claro de la actividad
microbiana es el incremento de la temperatura de la masa que está
compostando, por lo que la temperatura ha sido considerada
tradicionalmente como una variable fundamental en el control del
compostaje (Liang y col., 2003; Miyatake y col., 2006). La evolución
de la temperatura representa muy bien el proceso de compostaje, pues
se ha comprobado que pequeñas variaciones de temperatura afectan
más a la actividad microbiana que pequeños cambios de la humedad,
pH o C/N (Casco, J. 2013. pp.96-106.).
Román, Martinez & Pantoja (2013) determinaron lo siguiente según su
estudio de experimentación.
Fuente: Barrena, 2006
Tabla 1: Composición de la mezcla
17
La fase termofíla se inicia el día 4 del proceso, alcanzando los 44°C en
la primera semana, permaneciendo así durante 3 semanas. Se realizan
volteos manuales cada 4 días. A partir de la semana 4 la temperatura
disminuye hasta ser temperatura ambiente. El proceso de maduración
dura hasta la semana 8, en la que se hace volteos semanales únicamente
(p. 94).
c) Oxigeno
Para el correcto desarrollo del compostaje es necesario asegurar la
presencia de oxígeno, ya que los microorganismos que en él intervienen
son aerobios. Las pilas de compostaje presentan porcentajes variables
de oxígeno en el aire de sus espacios libres: la parte más externa
contiene casi tanto oxígeno como el aire (18-20%); hacia el interior el
contenido de oxígeno va disminuyendo, mientras que el de dióxido de
carbono va aumentando, hasta el punto de que a una profundidad mayor
de 60 cm el contenido de oxígeno puede estar entre 0,5 y 2% (Ekinci y
col., 2004).
Una aireación insuficiente provoca una sustitución de los
microorganismos aerobios por anaerobios, con el consiguiente retardo
en la descomposición, la aparición de sulfuro de hidrógeno y la
producción de malos olores (Bidling- maier, 1996). El exceso de
ventilación podría provocar el enfriamiento de la masa y una alta
desecación con la consiguiente reducción de la actividad metabólica de
los microorganismos (Zhu, 2006).
2.2.2. Compostaje
El proceso de compostaje imita la transformación de la materia orgánica
en la naturaleza, y permite homogenizar los materiales, reducir su masa y
su volumen e higienizarlos. Este tratamiento favorece el retorno de la
materia orgánica al suelo y su reinserción en los ciclos naturales (Gutiérrez
M., 2013, pp 17-18).
El proceso de compostaje es un método aeróbico de tratamiento de residuos
orgánicos donde intervienen factores importantes como temperatura, humedad,
18
oxigeno, relación C/N, ph. En este proceso intervienen microorganismo que se
encargan de realizar el proceso de compostaje, para que la actividad de estos
microorganismos sea la adecuada necesitan de alimento (residuos orgánicos),
agua (humedad) y oxígeno. Para una descripción grafica de lo mencionado
visualizar Figura N°5.
2.2.3. Sistemas de Compostaje
El compostaje constituye un procedimiento adecuado de valorización de
los residuos orgánicos, incluyendo la fracción orgánica de los residuos
sólidos urbanos y los lodos de depuradora. Este sistema de tratamiento de
residuos orgánicos reporta un beneficio ambiental al evitar riesgos de
contaminación provocados por otras alternativas como incineración y
vertido y facilitar un mejor aprovechamiento de la materia orgánica.
Durante el proceso de compostaje la materia orgánica fresca de los
residuos orgánicos se transforma mediante la acción de bacterias aeróbicas
en materia orgánica estabilizada denominada compost.
Los principales objetivos del proceso de compostaje son: la estabilización
de la materia orgánica y la higienización, por eliminación de patógenos y
de malas hierbas, así como la reducción del peso y volumen de los
materiales a compostar, de modo que el uso agrícola del producto final
obtenido, tiene efectos beneficiosos para el sueño y los cultivos.
Figura N° 5: Entrada y salida del compostaje
Fuente: Gutiérrez M., 2013, pp 18.
19
Los sistemas de compostaje entendiendo a diferentes criterios tales como
nivel de complejidad, grado de control del proceso o método de ventilación
empleado, pueden clasificarse en sistemas abiertos y sistemas cerrados.
En los sistemas de compostaje cerrados el proceso se realiza en unos
recipientes llamados reactores, contenedores o digestores. Estos sistemas
tienen la ventaja de un mayor control de las condiciones del proceso, la
necesidad de un menor espacio para la construcción de sus instalaciones,
los tiempos de compostaje son relativamente más cortos y se evitan las
emisiones de malos olores, pero en cambio tienen un elevado coste de
inversión y mantenimiento que en muchas ocasiones los hace inviables
desde el punto de vista económico.
En los sistemas de compostaje abiertos los materiales a compostar se
colocan en pilas/hileras, montones o mesetas y se diferencian dos tipos:
estático y dinámico. En los sistemas dinámicos la aireación de la pila se
realiza de forma periódica mediante volteos. Entre sus limitaciones, cabe
citar que la ventilación de la pila solo se hace de manera periódica y por lo
tanto el nivel de oxigeno no se mantiene constante, impidiéndose el
aumento de las oxidaciones biológicas y haciendo que el proceso de
compostaje sea más lento.
En los sistemas estáticos ventilados, el material a compostar se coloca
sobre el conjunto de tubos perforados o una solera porosa, conectados a un
sistema que aspira o insufla aire a través de la pila (Casco, J. 2013. pp.96-
106.). […]
2.2.4. Métodos de operación
Según el nivel de tecnología que se utilizan para aplicar la técnica de
compostaje podrían ser de:
Niveles, mínimo, bajo e intermedio: Los tres se realizan en pilas estáticas
grandes, medianas o pequeñas, respectivamente. Se diferencian también
en la forma y periodicidad del volteo, en el primer caso con palas frontales
y una o dos veces al año, en el segundo volteo se realiza con mayor
frecuencia y en el tercero se voltean semanalmente mediante una maquina
20
dispuesta sobre la zona de composta. El proceso puede durar desde más de
18 meses hasta unos pocos meses, según el nivel
Nivel alto: La innovación más relevante para optimizar el proceso de
compostaje es la aireación forzada. Generalmente la aireación se regula
mediante un control de temperatura, de manera que cuando esta aumenta
por encima de un determinado nivel, comienza a funcionar el sistema de
ventilación produciendo una bajada de la temperatura y una evaporación
parcial de agua. El tiempo de proceso disminuye a varias semanas (entre 4
y 6)
Nivel alto en reactor: Permite el control de todas las variables que afectan
al proceso, de manera que minimizan los olores y el tiempo de proceso. Se
pueden controlar niveles de humedad, aireación, temperatura y
concentración de oxígeno. Tiempo de proceso unas 4 semanas. Algunos
equipos como el estabilizador Dano o los fermentadores verticales
consiguen reducir el tiempo de duración de la fase termofílica a una
semana. La maduración se realiza en el exterior (Ramos et al., 2002, p.27).
2.2.5. Tipos de composta
a) Compostaje Aerobio
Este tipo de compost se hace de manera natural, la basura orgánica al
descomponerse necesita oxígeno para que actúen las bacterias y se lleve
a cabo el proceso, cabe resaltar que si no hay oxigeno o es menor
cantidad morirán los microorganismos es por ello que necesita la
supervisión de personas que durante el tiempo que va pasando el
compost compacte.
Este tipo de composta se caracteriza principalmente por que los agentes
(microorganismos) que se encargan de la descomposición de los
desechos orgánicos necesitan del oxígeno para que se lleve a cabo este
proceso, de manera que, si en el interior de la composta existe una
cantidad por debajo del límite de oxigeno estos morirán y no termine el
proceso de putrefacción de los residuos. Generalmente este tipo de
composta necesita de la supervisión de las personas que hagan uso de
21
ellas ya que con el paso del tiempo la composta se compacta
disminuyendo la cantidad de oxigeno dentro de la composta o
compostador y la porosidad entre los desechos (Ayala, O. 2014, pp. 20
– 21).
Este compost se hace de manera natural, la basura orgánica al
descomponerse necesita oxígeno, las bacterias se reproducen masivamente
para que pueda iniciar el proceso de descomposición, este proceso necesita
revolver para que todo el compost se oxigene y siga el proceso sin que se
mueran los microorganismos y generen malos olores.
b) Compostaje Anaeróbico
La anaerobia es la ausencia de aire u oxígeno. Por lo tanto, la
fermentación anaeróbica es el proceso de descomposición de residuos
orgánicos en moléculas sencillas de forma anaeróbica (sin necesidad de
aire).
Esta técnica es conocida como bocashi, la cual implica aplicar esta
sustancia sobre los residuos orgánicos, activando la fermentación de los
residuos lo cuales se descomponen sin generar malos olores y
preservando todas sus vitaminas y minerales.
Además, gracias a los microorganismos eficaces presentes en el
bocashi, cualquier tipo de sustancia nociva que pudiesen contener los
residuos orgánicos, como pesticidas u otras toxinas, se descompondrán
en elementos que no presenten ningún riesgo para la salud (Ayala, O.
2014, p. 22).
Este tipo de compost no se sugiere porque genera fuertes olores, pueden ser
causa de los materiales, la humedad entre otros, ya que se utilizas desechos
de jardinería.
2.2.6. Modelos de Compostador
Hay diferentes modelos, los cuales se diferencian en el tiempo que producen el
compost, generación de olores, entre otros.
22
a. Compostaje Artesanal
En el compostaje artesanal se requiere continuamente de la intervención
de la mano humana ya que desde el inicio del proceso se necesita añadir
residuos y cada cierto tiempo remover la mezcla con la finalidad de airear
para proseguir con el compostaje aeróbico.
En el compostaje artesanal se tiene una variedad de tipos, los cuales se
detallan a continuación.
b. Compostaje con bloques de ladrillo y con bloques de madera
El compostaje realizado con bloques de ladrillo es similar al realizado con
bloques de madera a diferencia que entre cada ladrillo se deja un espacio
para facilitar el ingreso de aire. Es duradero, tiene gran capacidad y fácil
de manipular.
La descripción grafica del proceso de compostaje con bloques de ladrillo
se puede visualizar en la Figura N°6, el compostaje con bloques de madera
se visualiza en la Figura N°7.
Figura N° 6: Compostera de bloques de ladrillo
Fuente: Navarro, R. (s.f.). Manual para hacer composta Aeróbica.
23
c. Compostaje de bidón
En el modelo de bidón se realizan agujeros alrededor de él con la finalidad de
facilitar la aireación. El bidón tiene que estar tapado para evitar filtraciones
por lluvia o caso contrario aislarlo a condiciones ambientales.
El inconveniente con este proceso se manifiesta al momento de retirar el
compost ya que se tiene que descompactar y para ello alzar el bidón, cabe
resaltar que es pesado, además de sufrir sobrecalentamiento por el material
del bidón y eso causa la muerte de los microorganismos.
En la Figura N°8 se puede visualizar el bidón que se suele utilizar para este
tipo de compostaje, junto con los agujeros alrededor de él que como ya se
mencionó se utiliza para la aireación.
Figura N° 7: Compostera con tres depósitos de madera y
alambre
Fuente: Navarro, R. (s.f.). Manual para hacer composta
Aeróbica.
Figura N° 8: Composta en bidón
Fuente: Grupo de acción para el medio ambiente.
(2005). Manual del buen compostador.
24
d. Compostaje en pilas
El compostaje en pilas es la manera tradicional más utilizada debido a la
gran cantidad de residuos orgánicos por la que es suministrada. Este
método acumula dichos residuos en forma de cerros o pilas lo que genera
la oxigenación. En la Figura N°9 se puede visualizar la composta en pilas
que son utilizadas por la UNAM.
En el caso del compostaje en pilas, el tamaño de la pila, en
especial la altura, afecta directamente al contenido de humedad,
de oxígeno y la temperatura. Pilas de baja altura y de base ancha,
a pesar de tener buena humedad inicial y buena relación C:N,
hacen que el calor generado por los microorganismos se pierda
fácilmente, de tal forma que los pocos grados de temperatura que
se logran, no se conservan. El tamaño de una pila viene definido
por la cantidad de material a compostar y el área disponible para
realizar el proceso. Normalmente, se hacen pilas de entre 1,5 y 2
metros de alto para facilitar las tareas de volteo, y de un ancho de
entre 1,5 y 3 metros. La longitud de la pila dependerá del área y
del manejo. (Roman, P. et.al., 2013, p 31).
Figura N° 9: Composta en pilas
Fuente: Captura realizada el 11-08-18. Elaboración propia.
25
e. Compostaje comercial
• Compostador Even greener
Compostador con una capacidad de 220 litros en el cual
transforma sus desperdicios de cocina y jardín en compost lleno
de nutrientes, hasta la fecha cuenta con tres millones de unidades
vendidas, es el más vendido en el Reino Unido.
El compost este hecho de plástico reciclado, está estabilizado
contra los rayos UV para evitar cualquier degradación asi genera
un entorno seguro para el compost al retener calor y humedad
(Evengreener, s.f.).
En la Figura N°10 se puede apreciar uno de los modelos de
contenedores de compost que fabrica la empresa Evengreener.
• Compostador Zera
El compostador Zera se encuentra enfocado en los residuos
orgánicos producidos en el hogar, el suministro de este equipo es
diario ya que el tiempo de producción del compost dura solo 24
horas. Adicionalmente a los residuos se suministra de aserrín para
contrastar la humedad.
El compostador está hecho de plástico reciclado, se encuentra
estabilizado contra los rayos UV para evitar cualquier
degradación así genera un entorno seguro para el compost al
retener calor y humedad (Benedicto, 2017).
Figura N° 10: Compostador Converter
Fuente: Evengreener, s.f.
26
En la Figura N°11 se puede visualizar al compostador Zera, al igual del
cómo se ingresa los residuos y el aplicativo con el cual se controla el
equipo.
• Compostaje Industrial
Kollvik es la marca de equipos para el compostaje industrial el
cual tratan los residuos orgánicos con mayor productividad,
seguridad y limpieza. El proceso parte de la separación de
residuos y selección de estos, el cual es mediante un operario,
luego continua dicho proceso de triturado, mezcla, compostado,
maduración y descarga del compost. En su totalidad lo realiza la
máquina generando así minimización del tiempo perdido en el
monitoreo ya que la máquina está programada para todo el
proceso (Kollvik, s.f.).
En la Figura N° 12 se muestra un modelo de compostador industrial
Kollvik.
Figura N° 11: Compostador Zera
Fuente: Zera, s,f
27
2.2.7. Fases de Compostaje
a) Fase Mesófila
El material inicial del proceso de composta se encuentra a temperatura
ambiente y llega hasta los 45 °C, el aumento de temperatura es a
consecuencia de la actividad microbiana porque utilizan C (carbono) y N
(nitrógeno) generando calor. Cuando comienza a calentar genera la
difusión de vapor de agua que es como consecuencia de la
descomposición de los desechos. El pH puede bajar (hasta cerca de 4.0 o
4.5). Esta fase dura pocos días (entre dos y ocho días).
Esta fase puede durar días u horas de acuerdo al juego de temperatura
que se puede generar para que llegue más rápido a las 45 °C y termine
dicha fase y pasar al siguiente. El proceso gráfico del comportamiento de
la temperatura respectivamente por fases, se visualiza en la Figura N°13.
Figura N° 12: Compostador industrial Kollvik
Fuente: Kollvik, s.f.
28
b) Fase Termófila
Esta fase su temperatura es mayor a 45 °C y llegar hasta los 65°C, los
microorganismos que se desarrollaron a temperaturas de la anterior fase
son reemplazados por aquellos que crecen en la fase de termofílica a
dicha temperatura ya descrita, lo cual facilita la degradación del C
(carbono), celulosa y lignina.
La termofílica también es conocida como higienización porque el calor
generado destruye bacterias y contaminantes de origen vegetal que se
pueden encontrar en el material de inicio.
c) Fase de Enfriamiento
También conocida como mesófila II, en dicha fase se agota las fuentes
de carbono y nitrógeno, aquí la temperatura vuelve a bajar entre 40-45°C,
sigue la degradación de la celulosa con el cual aparecen algunos hongos
y el pH se mantiene ligeramente alcalino, se puede visualizar en la Figura
Nº14.
Figura N° 13: Fases del compostaje
Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura
y la Alimentación, 2012
29
d) Fase de Maduración
En dicha fase, se retorna a una temperatura ambiente en el cual disminuye
los microrganismos y el pH del compost terminado oscila en un rango
entre 7 y 8 que es lo que la norma Austriaca O-NORM2023, S-2022, S-
2200 establece.
En la Figura Nº 15 se visualiza el comportamiento de los parámetros del
compostaje a través del proceso de elaboración del compost de manera
artesanal, aumento y disminución de la temperatura, Ph, oxigeno, tiempo
de duración en cada fase. Además del aspecto del compost.
Figura N° 14: Hongo indicador de la fase mesofílica II
Fuente: Román, P. et.al., 2013, p 24.
Figura N° 15: Temperatura, Oxigeno y pH en el proceso de compostaje
Fuente: Román, P. et.al., 2013, Manual de compostaje del agricultor, p.25.
30
2.2.8. Sistema de recolección
El aumento del crecimiento económico y del incremento de la población
sumado a la insuficiente capacidad para la recolección de residuos en los
rellenos sanitarios y los botaderos de residuos clandestinos, esto los convierte
en potenciales focos de infecciones y transmisión de enfermedades. El proceso
de recolección es el transporte de residuos desde los generadores que son las
personas y el destinatario final que es la planta de tratamiento de residuos. Estos
residuos se dividen en:
• Residuos Sólidos peligrosos: Estos residuos presentan un peligro ya
que presentan un riesgo para la salud y el medio ambiente, porque
tienen propiedades como la toxicidad, inflamabilidad, reactividad
química, corrosidad, explosividad y radiactividad.
• Residuos Sólidos no peligrosos: Estos residuos no presentan un peligro
para la salud y el medio ambiente en un corto plazo. En estos residuos
tenemos los metales, residuos orgánicos, papel, cartón, caucho y
plástico.
Por lo que en la empresa INVERSIONES DRAMAR SAC tienen su punto de
acopio de todos los residuos utilizados durante el día que previamente son
separados en los tachos de acuerdo a la clasificación de residuos sólidos que
son suministrados en el compostador. Ver Figura N°16.
Figura N° 16: Código de colores para la segregación de residuos sólidos
Fuente: Minera Volcan.
31
2.2.9. Sistema mecánico
Son aquellos sistemas constituidos fundamentalmente por componentes,
dispositivos y elementos que tienen como función transformar la velocidad,
trayectoria, fuerza o energía, desde la fuente que lo generan. Los sistemas
mecánicos tienen los siguientes elementos básicos:
Sistema motriz o de entrada: Recibe la energía de entrada, la cual será
transformada o transmitida.
• Sistema transmisor: Permite modificar la energía o movimiento
proporcionado por el sistema motriz (ejes de transmisión, embragues, caja
de cambios, etc.) Existen 2 formas de transmitir el movimiento los cuales
son lineales (poleas y palancas) y circulares (correas, cadenas y
engranajes).
• Sistema de recepción o sistema de salida: Realiza el movimiento con la
salida que le proporciona el sistema de transmisión, este viene hacer el
objetivo del sistema de mecánico. Existen 2 tipos de sistemas de
transformación de movimiento, circular en rectilíneo (piñón, cremallera,
tornillo, tuerca) y circular en alternativo (biela-manivela, cigüeñal-biela,
leva-excéntrica).
La compostera hace uso un eje en él tiene acoplado cuchillas tipo delta R lo que
genera. Ver Figura N°17.
Figura N° 17: Eje de transmisión de velocidad de compostera
Fuente: Elaboración propia.
32
2.2.10. SolidWorks
El solidworks es un software CAD (diseño asistido por computador)
desarrollado en la actualidad por Solidworks Corp., el cual permite modelar,
simular, configurar, animar y analizar piezas y conjuntos de planos
mecánicos. (SOLIDWORK Products, 2018).
Se utilizó el software Solidworks, ya que tiene un medio intuitivo, formado a
la perfección en 3d, que contiene todos los aspectos del desarrollo mecánico,
ayuda a maximizar la productividad del diseño y acelera la ingeniería del
producto, como también evitar reprocesos en la fabricación de las piezas.
El programa permite el diseño de piezas, ensamblaje y poder extraer los
planos para su posterior producción. Este programa nos ayuda en el momento
de diseñar piezas, ya que permite plasmar nuestro diseño de las piezas en 3D
con las medidas y la forma que necesitamos para luego ensamblarlo en el
mismo programa para tener una visión como quedara el diseño finalizado, si
queremos hacer cambios nos permite hacer correcciones de las piezas si
tenemos algún error de cálculo, también nos permite extraer los planos de la
pieza de nuestro diseño para así poder producirlas en físico, en la Figura N°18
se aprecia el ensamblaje de la compostera, también permite calcular las
diferentes propiedades físicas.
Figura N° 18: Solidworks utilizado para el diseño de cuchillas de compostera
Fuente: Elaboración propia.
33
2.2.11. Sistema eléctrico
Es el conjunto de conductores, instalaciones y equipos que son necesarios
para el funcionamiento eficiente de los componentes que se necesitan para
realizar las 3 partes fundamentales de un sistema eléctrico:
• Fuente de energía: El sistema es alimentando con una toma de corriente,
en Perú 220V AC; por ello, el sistema deberá contar con los componentes
necesarios para la conversión de los voltajes para la alimentación de
actuadores, sensores, procesadores, etc.
• Trasmisión: Se da mediante cables para transportar o llevar la energía a
todo el sistema de la compostera, de acuerdo a la corriente que va pasar
por los cables se escoge el tipo, el material y el grosor.
• Distribución: Para esta etapa se utilizan componentes eléctricos para
suministrar de forma eficiente y controlada a los actuadores de la
compostera.
Todo esto conlleva que el sistema eléctrico para un funcionamiento correcto
requiere de cálculos que serán necesarias para hallar la corriente (I), voltaje
(V) y potencia (P), que va a consumir el sistema para su funcionamiento.
• Corriente continua o Corriente Directa (CC o DC): Los electrones
circulan en la misma dirección, su polaridad no es variable y esto hace
que la corriente sea relativamente constante. Suele estar suministrado
mediante pilas, dinamos y fuente de alimentación ver Figura 19, la
corriente continua es más segura y se puede almacenar, pero utilizar
voltajes bajo para transmitir electricidad. Ver Figura N°19 y N° 20.
Figura N° 19: Fuente de alimentación conmutada 12V / 5 A
Fuente: ShopDelta.eu
34
• Corriente alterna: Es un tipo de corriente eléctrica que su variación es tipo
cíclico ya que se caracteriza por la magnitud y la dirección, este tipo de
corriente oscila en forma senoidal, es decir una curva que va subiendo y
bajando continuamente ya que de acuerdo a esta forma logra trasmitir la
energía de manera más eficiente. Ver Figura N°21.
Figura N° 20: Esquema eléctrico de la fuente de alimentación simétrica de 15V 1A
Fuente: Onubaelectrónica.
Figura N° 21: Datos de dimensiones y características de motor eléctrico modelo B14
Fuente: Centralde.com
35
2.2.12. Sistema electrónico
Es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado,
se dividen en tres partes, entradas, unidad de procesamiento y salidas.
• La señal de entrada (transductor) toma las señales del ambiente y las
convierte en corriente o voltaje para leer el controlador.
• La unidad de procesamiento (circuito procesador) manipula, interpreta y
transforma las señales.
• La señal de salida (circuito actuador) convierte la corriente o voltaje en
señales útiles, este proceso ocurre en ambas direcciones contando con un
sistema de retroalimentación.
El sistema electrónico recibe información del entorno mediante los sensores
para selección se tiene que tener en cuenta el trabajo que se desea realizar, la
temperatura que soporta dimensiones, la humedad y sensor de peso.
2.2.13. Sensores
Se puede definir a un sensor o transductor como un dispositivo o
combinaciones de dispositivos que convierten señales de una forma física en
otra, esta señal puede ser digital, en los casos donde funciona como elementos
de detección analógicas, cando se trata de una medición.
A. Sensor de temperatura
Son dispositivos que a consecuencia del cambio de temperatura generan
un cambio en sus características físicas, produciendo una señal eléctrica
proporcional, existen cuatro tipos de sensores de temperatura:
termocupla, termistores, RTD (Resistance temperatura detector) e
infrarrojo.
a) Termocupla: Es un transductor que está compuesto por dos
metales distintos y el resultado es la diferencia de voltajes en mini
voltios que es proporcional a la diferencia de temperatura.
36
b) Termisor: Es un tipo de resistencia (componente electrónico)
cuyo valor varía en función de la temperatura de una forma más
evidente que una resistencia común. Su funcionamiento se basa
en la variación de la resistividad que presenta
un semiconductor con la temperatura. Este componente se usa
frecuentemente como sensor de temperatura1 o protector de
circuitos contra excesos de corriente.
c) RTD: Ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la
conducción de los electrones para que ante un aumento de
temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que
presentan.
Los sensores RTD suelen ir asociados a montajes eléctricos tipo
puente de Wheatstore que responden a la variación de la
resistencia eléctrica por efecto de la temperatura para originar una
señal analógica de 4-20 mA que es la que se utiliza en el sistema
de control correspondiente como señal de medida.
d) Infrarrojos: Es un dispositivo opto electrónico capaz de medir la
radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo
de visión. Realizan mediciones de alto rendimiento, miden
temperaturas desde -20°C a 2000°C.
B. Sensor de Humedad
Los sensores de humedad se aplican para detectar el nivel de líquido en
un depósito, o en sistemas de riego de jardines para detectar cuándo las
plantas necesitan riego y cuándo no. Permiten medir la temperatura de
punto de rocío, humedad absoluta y relación de mezcla.
C. Sensor de peso
Los sensores de peso (células de carga) son versiones especiales de
transductores de fuerza para su uso en la tecnología de pesaje. Se
calibran en gramos, kilogramos o toneladas y no en Newtons, como es
habitual en la tecnología de medición de fuerza. Las galgas
extensométricas integradas transforman las deformaciones elásticas de
los sensores de peso causados por las cargas de peso proporcionalmente
37
en señales eléctricas. Esto permite una exactitud de medición muy
elevada entre 0,01 % y 0,05 % Fnom.
D. Arduino
Arduino es una marca de microcontroladores mundialmente conocida
por los amantes de la electrónica, la programación y la robótica. Es un
proyecto Open Source que pone a disposición de sus usuarios una
amplia gama de dispositivos basados en el microcontrolador AtMega.
Es posible comprar una placa Arduino armada o conseguir las piezas
para uno mismo desarrollar sus propios dispositivos. Ver Figura N°22.
Características:
• Microcontrolador: ATmega2560
• Voltaje Operativo: 5V
• Voltaje de Entrada: 7-12V
• Voltaje de Entrada(límites): 6-20V
• Pines digitales de Entrada/Salida: 54 (de los cuales 15 proveen
salida PWM)
• Pines análogos de entrada: 16
• Corriente DC por cada Pin Entrada/Salida: 40 mA
• Corriente DC entregada en el Pin 3.3V: 50 mA
• Memoria Flash: 256 KB (8KB usados por el bootloader)
• SRAM: 8KB
• EEPROM: 4KB
• Clock Speed: 16 MHz
38
2.2.14. Módulo Relé 12V 10A de 1 Canal
Módulo relé de 1 canal (protegido con Optoacoplador). Tiene tensión de
Alimentación de 12V y corriente de Salida de 10A. Este módulo puede ser
controlado directamente por el microcontrolador (Arduino, 8051, AVR, PIC,
DSP, ARM, ARM, MSP430, de la TTL). Ver Figura N° 23.
Característica de Modulo Relé 12V 10A de 1 Canal Disparo Bajo/Alto para
Arduino:
• Canal: 1 (protegido con Optoacoplador)
• Tensión de Alimentación: 12V
• Corriente de Salida: 10A
• Corriente de activación por relé: 15mA~20mA
• Aislamiento: Si
• Jumper de tipo de señal de disparo (bajo/alto)
• LED indicador
• Dimensiones: 30x 54mm
• Tiene un jumper que permite elegir de tipo de señal de disparo (bajo/alto)
Figura N° 22: Arduino Mega
Fuente: Panamahitek.com
39
2.2.15. Driver Puente HL298N
El driver HL298N es un módulo muy utilizado para manejar motores DC de
hasta 2 amperios. El módulo L298N posee dos puentes H completos que
permiten controlar 2 motores DC o un motor de paso a paso bipolar/unipolar.
Este módulo permite controlar el sentido y velocidad de giro de motores
mediante las señales que se obtienen de microcontroladores y tarjetas de
desarrollo como Arduino, Rasberry Pi, etc. El control del sentido de giro se
realiza mediante dos pines para cada motor, la velocidad de giro se puede
regular mediante el PWM. Ver Figura N° 24.
Figura N° 23: Módulo Relé 12V 10ª de 1 canal.
Fuente: Solectroshop.com
Figura N° 24: Detalle del App Blynk
Fuente: http://arduinoamuete.blogspot.com
40
2.2.16. Blynk
Es una plataforma de internet de las cosas para Android y iOS de control de
sistemas desarrolladas con Arduino y Raspberry Pi. Con esta herramienta de
trabajo diseña una interface gráfica para el proyecto dibujando y poniendo
controles en la misma. Este sistema no está limitado a ningún hardware
específico. Solo se requiere que el proyecto esté enlazado a internet por medio
de wifi, Ethernet o un ESP82266, de esta manera se conecta con el servidor
de blynk y controlar el sistema. Ver Figura N°25.
2.2.17. ESP82266
El ESP8266 es un SoC (System on Chip), con capacidades de 2.4 GHz Wi-Fi
(802.11 b / g / n, soporte WPA / WPA2), 16 GPIO de propósito general (entrada
/ salida), I²C, convertidor analógico-digital (ADC de 10 bits), SPI, I²S, UART y
modulación de ancho de pulso (PWM), emplea un CPU RISC de 32 bits basado
en el Tensilica Xtensa LX106 funcionando a 80 MHz (o overclocked a 160
Figura N° 25: Detalle del App Blynk
Fuente: http://arduinoamuete.blogspot.com
41
MHz). Tiene una memoria ROM de inicio de 64 KB, memoria RAM de
instrucciones de 64 KB y 96 KB de RAM de datos. Memoria flash externa de
4MB pero este último varía entre diferentes versiones de modulo. Ver Figura
N°26.
Figura N° 26: Distribucion de pines del Node MCU
Fuente: Naylampmechatronics.com/
42
CAPÍTULO III: DISEÑO DEL SISTEMA
El presente capitulo se describe el desarrollo mecánico, eléctrico y electrónico, además el
desarrollo del programa de la máquina para generar compostaje a partir de residuos
orgánicos.
3.1 Sistema de máquina para generar compostaje a partir de residuos orgánicos.
En la figura 27 se muestra la interacción entre los sistemas de la máquina de
compostaje y sus sensores.
En la parte mecánica se selecciona el material con el que se va a trabajar,
considerando los factores del entorno donde se va a instalar, luego se hace el
dimensionado de la máquina realizando cálculos para la cantidad de residuos que
almacena en su interior y pueda realizar las operaciones requeridas, al finalizar se
lleva el diseño a un software CAD para visualizar la estructura de la máquina.
En la parte eléctrica se realiza el cálculo de la energía requerida para todo el
sistema de la máquina de compostaje y los componentes eléctricos necesarios para
su alimentación; En la parte electrónica se diseña la tarjeta controladora
incluyendo todos los componentes que necesita para detección de temperatura,
humedad, movimiento de actuadores y comparación de volúmenes. El diseño del
circuito se realiza en un software para su visualización en 3D de la tarjeta
controladora.
Finalmente se desarrolla el programa con la ayuda del software Arduino IDE y la
plataforma Blynk IOT.
Figura N° 27: Diagrama de comunicación del sistema de la máquina de compostaje.
Fuente: Elaboración propia.
43
3.2 Diseño mecánico
3.2.1 Características del material para la estructura mecánica.
La estructura de la máquina tiene que contar con las siguientes
características, tiene que ser un material con una alta dureza, fácil
soldabilidad y refractario. Ver tabla 2.
Características del material para la estructura mecánica
Características del material Propiedades Descripción
Dúctil Alta
La máquina tiene que tener alta
dureza ya que tiene que soportar
alteraciones físicas como la
penetración, la abrasión y el rayado.
Soldabilidad Alta
La máquina al tener que acoplar
piezas de distintos materiales tiene
que ser de fácil soldabilidad para
tener soldaduras homogéneas y de
gran calidad.
Refractario Alta
Para el proceso de compostaje se
necesita para el proceso altas
temperaturas para la
transformación de los residuos.
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2: Características del material para la estructura
44
3.2.2 Selección del material
En la tabla 3 se muestra una comparación de 3 tipos posibles de materiales
para el diseño de la compostera, se comparan estos 3 materiales porque son
los más utilizados, así mismo cumplen con algunas de las características que
necesita el material a escoger.
El aluminio es altamente resistente con 245HB en comparación con los otros
materiales, es el segundo material más ligero entre los otros materiales con
2698,4 Kg/m³, pero tiene una alta conductividad térmica e 209,3 W/ (mK).
El acero galvanizado no tiene tanta dureza 158-169 HB como el aluminio y
es el segundo material más pesado entre los demás con 7850 Kg/m³ y tiene
una conductividad térmica 0,12 W/(mK).
El material elegido es Aluminio debido a sus características que se adecua
a lo necesitado.
3.2.3 Cálculos y dimensionamiento de compostera
Se hacen los cálculos de la muestra del contenedor para determinar el peso
del almacenamiento de residuos orgánicos, luego se procede hacer
dimensionado tomando en cuenta los valores obtenidos.
La muestra de la investigación es obtenida estadísticamente, la cual es de 12
kg, cabe resaltar que dicha muestra representa la capacidad del prototipo
desarrollado.
Para los cálculos se utilizó la siguiente fórmula:
CARACTERÍSTICAS GALVANIZADO ALUMINIO INOX AISI 420
DUREZA (HB) 159-169 245 160-190
Resistencia al Calor max 250°C 80° C 925 °C
Conductividad termica (W/m.K) 46 209.3 16.3
Peso (gr/cm3) 7.85 2.7 7.98
Costo MEDIO BAJO ALTO
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 3: Comparación de algunos materiales más usados para la estructura mecánica.
45
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 =
𝑧2×𝑝(1−𝑝)
𝑒2
1 + (𝑧2𝑥𝑝(1−𝑝)
𝑁𝑥𝑒2 )
Para hallar el tamaño de la muestra se utilizó la formula (1) presentada
anteriormente, las variables por las que está compuesta son las siguientes:
N= Tamaño de la población
e= Margen de error el cual es expresado con decimales
z= Puntuación para lo cual se utiliza la tabla 4
Con un nivel de confianza del 80% y un margen de error del 19%
Diario se tiene una población de 350 Kg., reemplazando datos:
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 = 12 𝐾𝑔.
Por lo que la muestra de residuos orgánicos de ingreso es 12 Kg. que ingresa
a la primera cámara.
a) Dimensionamiento del cilindro
El modelo del compostador es diseñado con la finalidad de abarcar las
diferentes etapas del compostaje (mesofílica, termofílica y
maduración), es por ello que el interior del cilindro fue dividido en 3
Fuente: SurveyMonkey, s.f.
……………. (1)
Tabla 4: Puntuación Z
46
cámaras, en el cual cada cámara tiene un volumen distinto de acuerdo
a la densidad correspondiente a cada fase.
Para determinar la capacidad del prototipo en función a las
dimensiones (Ver Figura Nº28) del diseño que previamente se calculó
de acuerdo al espacio hallado dentro de la empresa, se utilizó la
siguiente formula:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜋 𝑥 𝑟2𝑥 ℎ 𝑥 𝑑
Donde:
R= radio
H= altura
D= Densidad
Para la variable densidad se utilizó la tabla 5 ya que se extrae el dato
del rango de esta variable el cual es de 400kg/m3 para la fase inicial
(mesófila) y así respectivamente para cada fase.
……………. (2)
Figura N° 28: Dimensiones del cilindro de compostera
Fuente: Elaboración propia.
47
Reemplazando en la cámara 1:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜋 𝑥 0.22𝑚𝑥 0.25𝑚 𝑥 400𝑘𝑔/𝑚3
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 12.56 𝐾𝑔.
Reemplazando en la cámara 2:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜋 𝑥 0.22𝑚𝑥 0.20𝑚 𝑥 600𝑘𝑔/𝑚3
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 15.08 𝐾𝑔.
Reemplazando en la cámara 3:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝜋 𝑥 0.22𝑚𝑥 0.15𝑚 𝑥 600𝑘𝑔/𝑚3
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 11.31 𝐾𝑔.
b) Diseño del cilindro
El material seleccionado para el diseño del cilindro es el aluminio. Este
material ofrece excelentes características para el diseño ya que es
ligero, resistente a la corrosión y puede ser moldeado fácilmente.
Para hallar el espesor del contenedor se utiliza la ecuación 3.
Fuente: Roman P. et.al (2013), Manual del compostador
Tabla 5: Parámetros del compostaje
48
𝛿 = 𝐹 ∗ 𝑑 ∗(
𝐻
2)
(1
12) ∗ 𝐻 ∗ 𝐵²
Donde:
F=Fuerza (N)
d= Longitud del contenedor (m)
H= Altura seleccionada de la barra (m)
B=Espesor del contenedor (m)
δ = Resistencia a la fluencia del aluminio /el factor de seguridad
(N/m²)
Al reemplazar en la ecuación 3 con los siguientes valores fuerza por
381.71 N, distancia por 0.4 m, altura 0.6 m y δ por 117.3 x 10⁶ N/m³,
reemplazando el resultado es:
𝐵 = 0.002796 𝑚 ≅ 0.0028 𝑚.
En la Figura N° 29 se muestra el diseño del cilindro en donde se va
almacenar los residuos orgánicos, además es divido en tres cámaras,
debido a que cada cámara trabaja cada fase del compostaje
(mesofílica, termofílica y maduración), como también cuenta con
compuertas entre las cámaras para su respectivo traslado, en la parte
superior tiene orificios circulares que genera el ingreso y salida de
oxígeno.
……………. (3)
49
c) Diseño de cuchillas
Se hizo unas cuchillas conformadas de 4 palas en forma de semi
diagonal, como el trabajo de las cuchillas es triturar los residuos
similares como las cuchillas de la licuadora, de esa manera hace que
los residuos con el tiempo del proceso se vuelvan de manera más
compacta casi como arena. Al definir la forma, se procede hacer los
cálculos, que cantidad de residuos va remover, con un largo de 0.108
m, altura 0.40.m y con un ángulo 35°. En la Figura N°30 se visualiza
el dimensionamiento de la cuchilla.
Figura N° 29: Dimensiones del cilindro de compostera
Fuente: Elaboración propia.
Figura N° 30: Dimensión de cuchilla cortadora del compostador
Fuente: Elaboración propia.
50
Para hallar el espesor de la cuchilla reemplazando en la ecuación 3,
fuerza 117.6 N, distancia por 0.108 m y altura 0.40m y y δ por 117.3
x 10⁶ N/m³, el resultado es:
𝐵 = 0.00803 𝑚 ≅ 0.008 𝑚.
Por medio de la ecuación 6 se determina la masa total que soporta los
brazos. Ver Figura N°31.
Mt = (Mcuchilla + Mresiduo) ∗ Fs
Donde:
𝑀𝑡 = Peso total [Kg]
𝑀res.= Peso del residuo [kg]
𝑀cuch.= peso de la cuchilla [kg]
Fs= Factor de seguridad (1.5)
Ç
Luego se reemplaza en la ecuación 4, 𝑀residuo por 12 Kg y 𝑀cuchilla
por 1.374 kg, se tiene que el peso total es:
M𝑡 = 20.061 𝑘g
…………. (4)
Figura N° 31: Determinación de la masa de las cuchillas
Fuente: Elaboración propia.
51
Esto quiere decir que cada brazo soporta aproximadamente 4 Kg sin
causar ningún daño en estos.
d) Revisión de esfuerzos y desplazamiento
Se utiliza el programa SolidWorks Simulation para poder obtener los
datos de esfuerzos y máximo desplazamiento.
i. Esfuerzo que soportan las cuchillas
Para realizar la simulación mediante el análisis estático se
necesita obtener las fuerzas en unidades Newton, es por ello que
se multiplica el peso de los residuos que triturara la cuchilla (12
Kg) por 9.8 m/s² que es la constante de gravedad, obteniendo
como resultado 117.6 Newton que es la fuerza total que se
distribuirá entre las 4 cuchillas.
Para analizar que las cuchillas soporten cargas externas se
realiza una simulación por elementos finitos obteniendo como
resultado las tensiones (VonMises) y desplazamientos
(milímetros) máximos y mínimos. Ver Figuras Nº 32.
En la Figura 32 se visualiza el esfuerzo inicial de las cuchillas,
el color azul indica el esfuerzo mínimo que las cuchillas
soportan, el color naranja indica el esfuerzo máximo que soporta
las cuchillas antes de deformarse completamente.
Figura N° 32: Simulación del esfuerzo de las cuchillas (en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
52
ii. Desplazamiento máximo de las cuchillas
Se utiliza Solidworks simulation para realizar un análisis
estático del material, obteniendo como resultado el
desplazamiento máximo que obtendrá a causa de las cargas
externas.
En la Figura N°33 se observa los efectos de las cargas externas
sobre el material dándonos como resultado el desplazamiento.
En la Figura N°33 la simulación indica un desplazamiento de
2.99 x 10-2 mm, la mayor deformación se da al extremo de la
cuchilla que se muestra con el color rojo la mayor deformación
del material, los colores turquesa y azul se interpretan como las
deformaciones mínimas que tendrá el material a causa de estas
fuerzas externas obteniendo aproximadamente 1x10-30 m.
iii. Esfuerzo que soporta las compuertas
Para realizar la simulación mediante el análisis estático se
necesita obtener las fuerzas en unidades Newton, es por ello
que se multiplica el peso de los residuos que soporta las
compuertas (12 Kg) por 9.8 m/s² que es la constante de
gravedad, obteniendo como resultado 117.6 Newton que es la
fuerza total que se distribuirá sobre toda la compuerta
Figura N° 33: Simulación del desplazamiento máximo de las cuchillas (en
Solidworks)
Fuentte: Elaboración Propia.
53
Para analizar que la compuerta soporte cargas externas se
realiza una simulación por elementos finitos obteniendo como
resultado las tensiones (VonMises) y desplazamientos
(milímetros) máximos y mínimos. Ver Figuras Nº 34.
En la Figura N° 34 se visualiza el esfuerzo inicial de la
compuerta, la deformación máxima obtenida es 5.06 x10-3, el
color azul indica el esfuerzo mínimo que las cuchillas soportan,
el color naranja indica el esfuerzo máximo que soporta las
cuchillas antes de deformarse completamente.
La deformación máxima visualizada en la Figura 34 es de
7.428x10-6 mm ubicado en el extremo de este, El color rojo
indica donde hay mayor deformación del material, mientras que
en la parte azul indica que también hay deformación, pero es
demasiada pequeña.
iv. Máximo desplazamiento del cilindro
En la Figura 35 se visualiza el máximo desplazamiento del
contenedor mediante el programa Solidworks.
Figura N° 34: Simulación del esfuerzo de las compuertas (en Solidworks)
Fuente: Elaboración Propia.
54
En la Figura N°35 se visualiza el esfuerzo inicial de la
compuerta, la deformación máxima obtenida es 2.324 x10-1, el
color azul indica el esfuerzo mínimo (1x10-30 m) que las
compuertas soportan, el color naranja indica el esfuerzo máximo
que soporta las compuertas antes de deformarse completamente.
3.3 Diseño eléctrico
3.3.1 Cálculo para la selección de motor eléctrico.
El sistema utiliza un motor eléctrico como actuador principal del sistema
electrónico. Para ello, se conecta un eje principal o piñón al motor, luego
por medio de un sistema de engranajes el giro y el torque son transmitidos
al eje. Por medio de cálculos se determinó el torque requerido.
En la Figura N° 36 se puede visualizar el motor que se utilizó junto con la
caja reductora.
Figura N° 35: Simulación del máximo desplazamiento de las compuertas (en
Solidworks)
Fuente: Elaboración Propia.
55
Características:
• Potencia: 1/2 HP
• Velocidad:1700 rpm
• Voltaje: 220/380/440 V; 60 Hz;
• Trifásico.
Es necesario señalar que este tipo de reductor tiene un agujero de servicio
de 20 mm para el eje de salida y un cuñero cuadrado de 5 mm, además la
caja reductora tiene una relación de reducción de 64:1, dicho dato se utiliza
para halla la velocidad a la salida del reductor = 1700/64=26.56RPM.
Para el cálculo del torque requerido se utiliza la siguiente fórmula
Donde HP es la potencia del motor y el RPM (número de revoluciones por
minuto) es la velocidad a la salidad del reductor T es el Torque Par (Kg-m),
reemplazando:
Figura N° 36: Motor reductor ortagonal
Fuente: Librería Solidworks.
…………. (5)
56
𝑇 =0,50𝑥716
26.56
T= 13.47 Kg-m
3.3.2 Variador Delta VFD220E43A
El variador Delta (Ver Figura N° 37) tiene las siguientes características:
• Control PID con función de reposo.
• Bajo nivel de ruido: frecuencia portadora hasta 15 kHz.
• Aumento automático del par .
• 15 velocidades preestablecidas.
• Interruptor de RFI.
Figura N° 37: Variador Delta VFD220E43A
Fuente: Delta Electronics INC.(2007), Manual
del usuario.
57
3.4 Diseño Electrónico
3.4.1 Microcontrolador
La máquina utiliza tres sensores, su funcionamiento puede operarse de
manera simultáneamente o secuencialmente, también se puede mencionar
que la dinámica de las variables temperatura y humedad no es rápida; por
lo tanto, los tiempos de respuestas no lo son, al igual que es compatible
con otros módulos de arduinos, son económicos y comerciales de fácil
acceso, cuenta con foros y librerías. En la Tabla 6 se muestra los
requerimientos considerados para seleccionar el microcontrolador.
En la Tabla 7 muestra la comparación entre los principales microcontroladores
encontrados para este proyecto
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 6: Requerimientos para la selección del microcontrolador
58
La velocidad de procesamiento del microcontrolador ATMEGA2560 es
suficiente y necesaria para este proyecto de tesis, además de contar con las
interfaces de comunicación requeridas. Para mejorar la compatibilidad se
usará la placa ArduinoMega, el cual estaba basado en microcontrolador
ATMEGA2560, ya que los sensores que se utilizarán tienen librerías en
Arduino ya implementadas y tiene el número de entradas necesarias. Ver
Figura N° 38.
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 7: Características de los principales microcontroladores.
Figura N° 38: Arduino Mega
Fuente:Arduino.cl,s.f.
59
3.4.2 Motor Reductor de corriente alterna
Para el sistema de movimiento de las compuertas entre cámara y cámara es
necesario utilizar un motor reductor para accionar las compuertas. A
continuación, en la Tabla 8 se muestran los requerimientos mecánicos para
su selección como velocidad, tensión y par que son los requerimientos
principales para poder seleccionar correctamente el motor reductor. Los
cálculos se detallan en el Anexo 1.
En la siguiente Tabla 9 se muestran la comparación entre los principales
motores encontrados que podrían utilizarse para el accionar de las
compuertas, el cual se colocara en el parte externo generan que las
compuertas se abran y cierren de tal manera permite que se traslade los
residuos orgánicos de una cámara a otra cámara de acuerdo al cambio de
fase que se necesita.
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 8: Requerimientos para la selección del motor reductor.
60
Se selecciona el motor MotionDynamics WormG200, ya que es el único que
cumple el requerimiento de velocidad permitiendo así que el punto de
operación del motor se encuentre muy cercano a los requerimientos de
selección presentados en la Tabla 8 (para mayor detalle se puede consultar
en el Anexo 1. En la Tabla 9, se muestran las características adicionales del
motor reductor seleccionado como torque, velocidad y voltaje que son las
principales características a tomar en cuenta para la selección. Ver Figura
N°39
Figura N° 39: Motor reductor
Fuente: deltakit.net
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 9: Principales motores eléctricos.
61
3.4.3 Sensor de temperatura
Para medir la variable temperatura del proceso de compostaje será necesario
contar con sensor de temperatura ubicada en el módulo de medición y
manipulación.
Para la selección del sensor se toma en cuenta las siguientes
consideraciones:
• El rango de medición de la temperatura debe estar comprendido entre
los 20-60°C debido a las características del proceso de compostaje.
• El sensor debe ser mecánicamente resistente y químicamente inerte, ya
que será introducido dentro cada grupo de residuos orgánicos en
procesamiento.
• De dimensiones pequeñas y fácilmente montable para que puede ser
integrado en el módulo de medición.
En la Tabla 10, se muestra un comparativo de los principales sensores de
temperatura encontrados.
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 10: Principales sensores de temperatura.
62
Se selecciona la termocupla LABFACILITY XE-3530 ya que presenta un
menor constante de tiempo respecto al resto de modelos permitiendo así una
dinámica más rápida en la medición del valor de la temperatura. Es un
sensor comercial y económico. Termopar tipo K, J o T. rápido respuesta,
soldado con autógena Unión expuesta disponible en Especificación de cable
de clase 1 según BS EN 60584-3:2008 con una miniatura clavija de
terminación. Ideal para aplicaciones de prueba y desarrollo. Ver Figura
N°40.
3.4.4 Adaptar de señal para termocupla
Será necesario contar con una etapa de amplificación de la señal salida de la
termocupla, cuyo rango de trabajo solo será de 0 a 65 ° C para poder
aprovechar todo el rango dinámico de la temperatura. De este modo el valor
de la señal puede ser leída e interpretada por el microcontrolador el cual
trabaja en un rango de 0 a 5 V. Teniendo en consideración lo anterior y los
rango de salida de la termocupla será necesaria una ganancia de voltaje de
42 dB.
Para ello se trabaja con el amplificador LM108A, la cual se muestra en la
Figura N° 41.
Figura N° 40: Sensor de temperatura
LABFACILITY XE-3530
Fuente: directindustry.es
63
En caso se contar con un ambiente ruidoso una alternativa a considerar
puede ser el uso de los siguientes integrados mostrados en la Tabla 11.
3.4.5 Sensor de Humedad
Al igual que la temperatura, la humedad es considerada como un factor de
gran importancia para que se lleve a cabo la descomposición de los RSU, es
por esto que la humedad también debe de ser monitoreada y obtener la
información que se genera dentro del compostador a lo largo del tiempo para
que conocer la este dato, se puede hacer uso de un sensor que mida la
humedad relativa en que se genera dentro del prototipo.
Figura N° 41: Encapsulado del amplificador
Fuente: cds.linear.com
64
Se escogió el modelo FUNDUINO ya que tiene un conjunto perfecto para
añadir a la humedad detección al compostador. Este es un módulo de sensor
que pueden detectar gotas de agua y relé de señal a un microcontrolador.
Esto permite construir en detección de agua, para su tiempo, riego u otros
proyectos. <br/>La placa de control puede salida analógica de señales. Tiene
dimensiones de 5.8 x 2 x 0.8 cm y peso de 2 gramos. Ver Figura N°42.
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 11: Principales sensores de humedad
Figura N° 42: Sensor de humedad FUNDUINO
Fuente: aulaglaia.es
65
3.4.6 Pantalla LCD 20X4
La pantalla lcd se utiliza para mostrar los datos de temperatura y humedad
en cada cámara, de tal manera que sirve para hacer el monitoreo de los
parámetros que son temperatura y humedad.
La pantalla LCD 20X4 (Ver Figura N° 43) tiene las siguientes
características:
• Alta Calidad.
• Módulo de bajo consumo.
• Formato de presentación: 20 caracteres x 4 líneas.
• Tensión de alimentación: 5V.
• Consumo – 125mA
• Interfaz analógica.
• Tamaño: 9,8 cm x 6 cm x 1,2 cm
3.4.7 Relay o Relé
Dispositivo que es estimulado con corriente eléctrica baja, abre o cierra un
circuito donde disipa una potencia mayor que del circuito.
El relé (Ver Figura N°44) tiene las siguientes características:
• Voltaje de disparo: 5V DC
Figura N° 43: Pantalla LCD 20x4
Fuente: Rambal - Automatización y Rebotica, s.f., Pantalla
Lcd - I2C - 20X4
66
• Corriente de disparo: 70mA
• Corriente AC máxima de carga: 10A @ 250/125V AC
• Corriente DC máxima de carga: 10A @ 30/28V DC
• Configuración compacta de 5 pines
• Tiempo de operación: 10msec Release time: 5msec
• Conmutación máxima: 300 operación/minuto (mecánico)
Información recuperada de https://components101.com/5v-relay-pinout-
working-datasheet
3.4.8 Sensor de proximidad
Se observa en la Tabla 11 la comparación de algunos sensores de
proximidad más utilizados la selección de estos 3 sensores se basó en la
distancia de alcance, ángulo de apertura y consumo de corriente.
Figura N° 44: Microreductor
Fuente: Nagar, Marg & Circuitloop Technologies LLP,
2017, 5V Relay: Pinout, Description, Working &
Datasheet
67
El consumo de corriente del módulo ultrasónico HC-SR04 es menor en
comparación de los demás sensores de proximidad, a su vez su rango de
medición es más elevado comparándolo con el módulo infrarrojo FC-51, es
casi 7 veces más de alcance, este módulo infrarrojo no tiene una apertura
de pulso amplia de su señal, el sensor capacitivo LCJ18A3 tiene un alcance
muy limitado al momento de sensar un objeto, es por ello que no es apto
para este tipo de trabajo, se escogió el módulo ultrasónico HC-SR04 como
se muestra en la Figura N°45 por todas las comparaciones mencionadas
anteriormente para medir la distancia de la botella de plástico respecto al
robot móvil.
Tipo de sensor
Módulo
ultrasónico HC-
SR04
Sensor
capacitivo
LJC18A3
Módulo
infrarrojo FC-
51
Voltaje (V) 5 6.0-3.6 3.8-5.5
Consumo (mA) 15 20 20
Ángulo de
Apertura(grados)
0 - 15 0 - 1 0 - 2
Distancia de alcance
(m) 0.02 - 0.45 0.001 - 0.005 0.02 - 0.30
Dimensiones(mm)
45mm x 20mm x
15mm
D18mm*L70mm
47mm × 15mm
× 7mm
Tabla 11: Principales características de sensores de proximidad
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 45: Declaración de variables
Fuente: Elaboración Propia
68
3.4.9 Acondicionamiento de tensión
De acuerdo al grupo de componentes seleccionados se tiene tres niveles de
tensión de alimentación. En la tabla 12 se muestra los requerimientos para
la selección de la fuente de alimentación correcta para la este proyecto de
tesis.
Debido a que maneja valores altos de corriente se seleccionarán fuentes
conmutadas. En la Tabla 13 se muestra las características de la fuente
conmutada SANPU PS600. Ver Figura N°46.
Voltaje (V) Corriente (A)
24 17.8
12 4.5
5 1
Voltaje de
entrada (V)
Voltaje de
salida (V)
Frecuencia
(Hz)
Corriente de salida
(A)
220 12 47-63 2.5
Tabla 12: Requerimiento para la selección de fuente de alimentación.
Fuente: Elaboración Propia
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 13: Condiciones de fuente de alimentación
Figura N° 46: Fuente conmutada SANPU PS600
Fuente: es.aliexpress.com
69
3.5 Desarrollo del programa
3.5.1 Programación de Arduino
Para poder controlar el hardware en forma remota, monitorear los sensores
de humedad y temperatura, controlar los motores, guardar los datos y
visualizarlo, es necesario descargar las librerías de Blynk que se
encuentran disponible para las plataformas de desarrollo, permitiendo la
conectividad entre el servidor y los recursos del hardware. Siguiendo con
la inclusión de las librerías se definen las variables “DHTPIN1”,
“DHTPIN2” y “DHTPIN3”, en los pines 9, 40 y 42 , que son las receptoras
de los datos de temperatura y humedad, “LCD” declarado para los pines
7, 6, 5, 46, 44, mostrará los datos a controlar. Ver Figura N°47.
En la Figura N°48, se observa el código que servirá para la
intercomunicación del Arduino con la aplicación Blynk, la cual permitirá
crear las interfaces de control por medio de wifi para la máquina de
Figura N° 47: Inclusión de librerías y variables en Arduino IDE
Fuente: Elaboración Propia
70
compostaje. Para mayor seguridad se establecen un usuario único y
contraseña.
En la Figura N°49 se establece la inicialización del programa con las
variables previamente definidas, a su vez se decreta los pines de salida,
y los valores lógicos digitales que controlaran los motoreductores a la
salida de la tarjeta de Arduino con la función “DigitalWrite”; Estas
salidas se dividen en dos estados : HIGH con un voltaje de salida de 5V
y LOW con voltaje de salida de 0V; También se selecciona el tiempo de
para él envió y recepción de datos a través de la función “SetInterval”,
este tiempo será de 1 segundo, que expresados en términos de la
programación y la función “Timer.setInterval” es 1000L.
Figura N° 48: Códigos de comunicación con la interfaz Blynk.
Fuente: Elaboración Propia
71
En la Figura N°50 se visualiza que las variables de temperatura (t1, t2 y
t3) y humedad (h1, h2 y h3) se asignan a la lectura de los sensores que
serán mostrados en la aplicación mediante la función “LCD.PRINT”.
Figura N° 49: Selección de tiempo de transmisión de datos.
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 50: Declaración de variables de temperatura y humedad.
Fuente: Elaboración Propia
72
En la Figura N°51 se muestra la impresión de las variables de temperatura
y humedad de los sensores que se encuentran dividido en las tres cámaras
de la máquina de compostaje, los cuales tienen la función de enviar
información para el control de los motorreductores.
En la Figura N°52 se observa la condición para que el moto-reductor que
está ubicado en la primera cámara de la máquina de compostaje, realice
la función de abrir la compuerta cuando la subrutina se ejecuta si la
temperatura es mayor de 45°C y cerrar la compuerta si es menor, esta
condición permitirá que los residuos que están en proceso de conversión
de compost pasen de una cámara a otra completando el proceso.
Figura N° 51: Impresión de variables asignadas en las rutinas de arduino.
Fuente: Elaboración Propia
73
En la Figura N°53. Se muestra la segunda condición que debe cumplir la
temperatura para que la compuerta permita el paso de los residuos a la
última cámara de la máquina de compostaje.
Figura N° 52: Declaración setup en arduino.
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 53: Condicionales para ejecución de rutinas en arduino
Fuente: Elaboración Propia
74
En la Figura N°54 se muestra el bucle, esta función realiza las lecturas
constantes de los sensores que requiere la máquina, en esta función se
programa la acción las librerías de la aplicación Blynk, Timer y tem.
3.5.2 Programación de la plataforma Blynk IOT
Para iniciar la programación se empieza descargando las librerías de
Blynk, que me da la posibilidad de crear una interfaz gráfica donde se
muestra los datos de los sensores, control de variables y tiene un
aprendizaje automático que permite analizar los datos y obtener
pronósticos y detección de patrones. Se inicia un nuevo proyecto
escogiendo un nombre, el dispositivo a controlar que en nuestro caso será
el ESP8266 y el tipo de conexión.
La máquina se conecta con la red del restaurante permitiendo controlarlo
a distancia. Ver Figura N°55.
Figura N° 54: Función Loop del programa en Arduino.
Fuente: Elaboración Propia
75
En la Figura N°56 se observa que luego de crear el nuevo proyecto en la
plataforma de Blynk IOT se generará un código de autenticidad (AUTH
TOKEN).
Figura N° 55: Menú de inicio de plataforma Blynk IOT
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 56: Código de autenticidad generado por Blynk IOT
Fuente: Elaboración Propia
76
En la Figura N°57, se visualiza todas las micro aplicaciones disponibles
que desplegaremos en la interfaz según se acomode a nuestros
requerimientos.
En la Figura N°58, elegimos la micro-aplicación “Time input”, esta opción
permite seleccionar el inicio o fin de un proceso, asi como también que
días de la semana será ejecutado una función según la zona horaria.
Figura N° 57: Listado de micro aplicaciones de blynk
Fuente: Elaboración Propia
77
En la Figura N°59, se visualiza el reloj del servidor, lo que permite que se
pueda seleccionar algún tiempo de la zona horaria.
Figura N° 58: Micro aplicación de zona horaria del
servidor de blynk.
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 59: Reloj según zona horaria.
Fuente: Elaboración Propia
78
En la Figura N°60, se muestra el desarrollo de la aplicación con la variable
de temperatura que se obtiene de los sensores ubicados en cada cámara de
la máquina de compostaje.
En la Figura N°61, se muestra los valores de humedad, estos datos serán
recopilados para generar una base de datos que sirve para que el hardware
tome acciones según la programación.
Figura N°60: Variable de temperatura
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 61: Variable de humedad.
Fuente: Elaboración Propia
79
En la Figura N°62, Se muestra todos los datos obtenidos por los sensores
y procesados por el hardware, se obtiene información en tiempo real.
En la Figura N°63, se muestra la interfaz que contiene todos los gadgets
seleccionados previamente, estos nos darán información remota de los
sensores instalados en la máquina de compostaje; También se podrá
planificar el tiempo de ejecución desde la misma plataforma de Blynk IOT.
Figura N° 62: Ajustes de terminal de interfaz blynk.
Fuente: Elaboración Propia
Figura N° 63: Interfaz final de Plataforma Blynk IOT
Fuente: Elaboración Propia.
80
3.6 Circuito de la Compostera
La elaboración del circuito se desarrolla en el software Proteus 8 Professional,
se coloca tres termocuplas con amplificadores de señal que nos da un amplio
rango (0-1023°C), estos amplificadores son equivalentes al módulo 6675, estos
nos envían datos de la temperatura en cada cámara y accionan las compuertas
que harán pasar los residuos de un cámara a otra según este configurado con las
condiciones lógicas de la programación. Ver Figura N°64.
Se utiliza el driver puente H L298N que controlada los motorreductores que
permite a la máquina abrir y cerrar las compuertas, estos se accionan mediante
los módulos relee. Ver Figura N°65.
Figura N° 64: Circuito de conexión de termocuplas realizado en proteus
Fuente: Elaboración Propia
81
Se observa en el circuito la integración en conjunto de los componentes con su
respectiva identificación, el regulador de voltaje, LD33CV, proporciona un
voltaje continuo de 3.3v al módulo ESP8266 que envía los datos al servidor de
la plataforma Blynk IOT, también se conecta el módulo MAX 6675 encargado
de acondicionar las señales de las termocuplas. Además, se acopló una placa pcb
de conexión doble requerido para el óptimo funcionamiento del módulo
ESP8266 que muestra la conectividad mediante el parpadeo del led. Ver Figura
N°66.
Figura N° 65: Circuito de conexión relee realizado en proteus
Fuente: Elaboración Propia
82
El circuito muestra la conexión de los servomotores con el módulo L298
y este a su vez con el arduino mega 2560. Ver Figura N°67.
Figura N° 66: Integración de arduino con módulos de transmisión.
Fuente: Elaboración Propia.
Figura N° 67: Circuito con Módulo L298 con Arduino mega 2560
Fuente: Elaboración Propia
83
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE
RESULTADOS
En el presente capítulo se especifican los resultados que se obtuvieron en el desarrollo de
la investigación para el logro de objetivos planteados, observaciones en los diferentes
diseños y recomendaciones para próximos proyectos.
4.1 Resultados del Diseño Mecánico
En la siguiente Figura N°68 se observó las propiedades mecánicas del material
escogido para el diseño de las tres hélices, las mismas que removerán los residuos
dentro del cilindro; En la librería de materiales del software de simulación
SolidWorks se escogió el acero cumpla con las características y propiedades del
material que se seleccionó en el capítulo anterior.
Para argumentar que la compostera tuvo un resultado satisfactorio al momento de
que las hélices remuevan los residuos, se utilizó el programa Solidworks para
hacer las pruebas de esfuerzos y deformación.
En la Figura N° 69 se observa la sujeción en la parte interior de la circunferencia
de la hélice donde se aprecia las tres fuerzas de reacción en Newton que ejercen
sobre la base de la hélice ya que ahí se ubicará el sistema del eje central donde
está conectado al motor.
Figura N° 68: Propiedades del acero inoxidable utilizado para el cilindro (realizado en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
84
En la Figura N°70 se muestra la fuerza que va a interactuar de forma directa con
la hélice, la “Fuerza-1” representa los 12 Kg de residuos orgánicos, para hallar la
fuerza que ejercen las 4 hélices las cuales cada una ellas tiene un peso de 2 Kg el
total se multiplicó por la constaté de la gravedad que es 9,8 m/s dando como
resultado 200 N.
De la Figura N° 71 se muestra la mínima tensión estática que tuvo la hélice, fue
de 20.64 N/m2 y su máxima tensión en los puntos de apoyo del eje concéntrico
será de 6.5x10 N/m2.
Figura N° 69: Figura de sujeción en la cara interior de la circunferencia del hélice (hecho en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
Figura N° 70: Fuerzas aplicadas a la hélice (hecho en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
85
En la Figura N° 72 se observó los desplazamientos que tuvo las hélices al
momento que interactúe con los residuos orgánicos.
4.2 Resultados del sistema eléctrico y electrónico
A continuación, se muestra el funcionamiento y las conexiones del programa en
el software de simulación Proteus, donde se diseñó un circuito que demostró que
cumple la función de giro.
Figura N° 71: Análisis estático de tensiones de la hélice (hecho en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
Figura N° 72: Análisis estático de desplazamientos de paletas de la hélice (hecho en Solidworks)
Fuente: Elaboración propia.
86
En la siguiente figura se utilizó el módulo Driver L298 con adaptación para
Arduino Mega, puente H para el control de los motores DC. Al ser activado, gira
en sentido horario abriendo las compuertas y en sentido antihorario cerrando las
compuertas, todo es controlado por el microprocesador Arduino. Además, se
conectó diodos led para para visualizar el encendido de los motores y su respectivo
sentido de giro. Ver Figura N° 73.
En la Figura N° 74 se muestra la conexión de los pines 5, 6 y 7 a las entradas EN1,
IN2, y IN1 y los pines 2, 3 y 4 a las entradas IN4, IN3 y EN2 del módulo L298,
consecuentemente se envía las señales a los pines 3, 4, 5 y 6 que activaran los
motores girando en sentido horario, esto abre las compuertas para que los residuos
orgánicos pasen a la siguiente etapa y demostrando el proceso de compostaje.
Figura N° 73: Diseño del circuito utilizando un puente H para el giro horario y
antihorario de los motores (hecho en Proteus)
Fuente: Elaboración propia
87
En la Figura N° 75 se muestra el circuito diseñado para el motor monofásico, que
fue activado desde un móvil, en el actual circuito se observa el fusible de
protección y switch de emergencia. Se demostró la conectividad del variador en
el software proteus, con el Triac BT136, Diac DB3, capacitor 104 a 630V,
realizando las pruebas con un potenciómetro 220 VAC a una frecuencia de 60hz.
En el siguiente circuito se demostró que fusible soporte el amperaje de trabajo del
motor monofásico a 20RPM. Ver Figura N° 76.
Figura N° 74: Circuito de módulo L298 acoplado con Arduino realizado en proteus.
Fuente: Elaboración propia.
Figura N° 75: Circuito en proteus de motor monofásico con variador.
Fuente: Elaboración propia.
88
La siguiente imagen se demostró la onda de salida del motor monofásico a 220 y
60 Hz. Ver Figura N°77.
Figura N° 76: Circuito en proteus con fusible de protección.
Fuente. Elaboración propia.
Figura N° 77: Onda de salida en Osciloscopio realizado en proteus
Fuente. Elaboración propia.
89
CONCLUSIONES
1. Se diseñó una máquina para generar compostaje a partir de residuos orgánicos con las
medidas de 0.6 metros alto con la capacidad de procesar 12 Kg de residuos generando
que el tiempo del proceso sea de un mes reduciendo a diferencia de manera artesanal el
cual es de 3 a 6 meses generando facilitar la transformación de mayor cantidad de
residuos en un menor tiempo.
2. Se diseñó la estructura mecánica del compostador utilizando el material de aluminio, ya
que es altamente resistente, ligero, fácil de moldear y tiene una alta conductividad
térmica, esto ayudó para no generar mucho peso del cilindro y que soporte las
temperaturas máximas que requirió el proceso para la transformación de los residuos.
3. Se eligió como placa de control la placa Arduino Mega, y se programó la misma en su
interfaz Arduino IDE, pudiendo controlar los motores de las compuertas, temperatura,
humedad, encendido y apagado del motor central.
4. Se diseñó una interfaz de mando desde la aplicación blynk App, que mediante su
conexión vía wifi se pudo controlar los relés a distancia a través del módulo ESP8266,
generando el seguimiento continuo del proceso las acciones del prototipo para generar
compostaje
90
RECOMENDACIONES
1. Se recomienda tener en cuenta siempre la limpieza del contenedor para evitar la
obstrucción de materia en los ejes giratorios brindando una mejor eficiencia en el
movimiento.
2. Se recomienda diseñar las hélices de tal forma que se pueda cambiar sus palas debido
al desgaste por el tiempo de uso o si llegan a tener un fallo funcional. De igual manera
para su respectivo mantenimiento que sea fácil acceso.
3. Se sugiere aumentar más sensores, como GPS, para poder obtener información del
medio ambiente de dicha ubicación y anticipar cambios de variables (temperatura,
humedad, etc.).
4. Se recomienda, que, al implementar, se varíe los valores de PWM del programa que
controlan los motores, ya que cada motor funciona a diferentes velocidades incluso si el
PWM es el mismo, para esto, es recomendable utilizar el software MATLAB para
graficar las velocidades en RPM utilizando el enconder de los motores.
5. Se recomienda para futuros proyectos de investigación sobre este tema, aumentar la
capacidad de generar compostaje, asimismo enfocarlos a otros procesos de compostaje
que disminuyen la contaminación del medio ambiente.
91
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de https://es.surveymonkey.com/mp/sample-size-calculator/
Tchobanoglouset, G., Theissen, H., Eliassen, R., (1982). Desechos Sólidos. Principios de
ingeniería y administración. Serie: ambiente y los recursos naturales
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Tighe, R., et. al. (2014). Evaluación de compost a base de espinillo. Alejuala – Costa
Rica: Agronomía Mesoamericana, Universidad de Costa Rica.
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2018].
Zera. (s.f.). Compostador. Recuperado 9 septiembre, 2018, de
https://wlabsinnovations.com/pages/ze
96
APENDICE
Apendice 1: Evolución del diseño de la maquina de compostaje.
Primer Diseño Diseño Final
Fuente: Elaboración Propia usando Solidworks
97
Apendice 2: Manual del microcontrolador NodeMCU ESP8266
Fuente: Robotdyn (2019).
98
Apendice 3: Bisagra Movible
Fuente: Elaboración propia usando solidworks.
99
Apendice 4: Caja receptora de compostaje
Fuente: Elaboración propia usando solidworks.
100
Apendice 5: Base de compuerta
Fuente: Elaboración propia usando solidworks.
101
Apendice 6: Vista del ensamblaje del prototipo de máquina para generar compostaje a partir de residuos orgánicos
Fuente: Elaboración propia usando soliworks.
102
Apendice 7: Estructurs de soporte
Fuente: Elaboración propia usando solidworks.
103
Apendice 8: Explosión de ensamblaje
Fuente: Elaboración propia usando SolidWorks.
104
Apendice 9: Hélices
Fuente: Elaboración propia usando SolidWorks.
105
Apendice 10: Tapa filtro
Fuente: Elaboración propia usando SolidWorks.
106
Apendice 11: Neumático
Fuente: Elaboración propia usando SolidWorks.
107
ANEXOS
Anexo 1: Principales caracterisrticas de Arduino Mega.
Fuente: Arduino.cc (s.f).
108
Anexo 2: Lista de partes
ITEM PART NUMER QTY
1 Estructura de soporte 1
2 Cilindro 1
3 Motor reductor 1
4 Eje 1
5 Hélices 2
6 Bisagra 1
7 taba_giratoria 1
8 Variador VFD015EL43A 1
9 Electric Box 1
10 Red LED Temperature Display 1
11 Neumático 2
12 compuerta con visagra 2
13 Caja_receptora 1
14 Motor Monofásico 1
Fuente: Elaboración propia.
109
Anexo 3: Tabla de arraques de motor monofásico
110
Anexo 4: Tabla de tipos de termocuplas
Fuente: Fisica II- Diseño industrial.
111
Anexo 5: Principales caracterisrticas
Fuente: Elaboración propia
112
Anexo 6: Diagrama de flujo de proceso de compostaje automatizado
USUARIO
• COLOCAR DESECHOS EN EL COMPOSTADOR
• VERIFICA HUMEDAD
• VERIFICA TEMPERATURA
• RETIRA EL COMPOST AL FINAL DEL PROCESOZ
MOTOR 1-REDUCTOR-VARIADOR
• INICIA PROCESO DE TRITURACION
SENSOR TEMPERATURA
• MONITOREO DE TEMPERATURA
SENSOR HUMEDAD
• MONITOREA HUMEDAD
COMPRESOR DE AIRE
• ACTIVA/DESACTIVA AIREACION
MOTOR 2
• ABRE/CIERRA COMPUERTA DE LA CAMARA 1 , CUANDO EL SENSOR DE TEMPERATURA DA LA SEÑAL
MOTOR 3
• ABRE/CIERRA LA COMPUERTA DE LA CAMARA 2 CUANDO EL SENSOR DE TEMPERATURA DA LA SEÑAL .
Fuente: Elaboración propia.
